Así se liga una onda gravitacional con LIGO. Para todo el mundo.


Pues a la espera, hoy 11 de febrero de 2016, de la rueda de prensa de LIGO en la que todos confiamos en que anuncien la primera detección directa de una onda gravitacional vamos a explicar en qué se basa el mecanismo de detección.

Para saber sobre Relatividad General:

Relatividad General — 100 años

Sobre ondas gravitacionales:

La que se avecina. Las ondas gravitacionales 1  —  Aquí discutimos el origen “matemático” de ondas y ondas gravitacionales.

La que se avecina. Las ondas gravitacionales 2 — En esta entrada vamos más a la idea que hay detrás del empeño por detectar ondas gravitacionales.

Interferencia de ondas

Una onda es una perturbación que se propaga y es periódica, al menos en el caso más simple, en espacio y tiempo.  La onda llega con la misma amplitud para intervalos de tiempos iguales y distancias al foco emisor iguales.  Hay casos más complicados pero con eso nos servirá.

La idea que tenemos todos en la cabeza más o menos es algo así:

circ1

Se produce una perturbación, por ejemplo en la superficie de una piscina, y se propaga una onda desde el foco emisor.

Ahora bien, si tenemos dos focos emisores, supongamos que tenemos la misma frecuencia en el perturbación, se generan dos ondas.  Pero las ondas no colisionan.  Lo que hacen las ondas es interferir.  Si las ondas se encuentran en regiones donde llegan con la máxima amplitud los efectos se suman, hay mayor intensidad. Si las ondas llegan a un punto en el que una de ellas llega en su máximo y la otra en su mínimo, entonces se contrarrestan.  Algo así:

circ4

Ahí se ve la superposición de ondas y como en unos puntos o regiones se refuerzan y en otras se cancelan.  Hemos generado un patrón de inteferencias.

¿Qué es LIGO?

LIGO viene de LASER INTERFEROMETRY GRAVITATIONAL (wave) OBSERVATORY,  observatorio de ondas gravitacionales por interferometría láser.

Un láser no es más que luz, una onda electromagnética, que tiene unas propiedades muy adecuadas para hacer interferencias.  Lo primero es que casi que es de un color puro, o mejor dicho, la frecuencia de la onda electromagnética se conoce muy bien.  Eso mola porque las interferencias salen mejor si cruzamos ondas de la misma frecuencia.  Además, los láseres actuales son de alta potencia, podemos tener mucha energía en el láser y eso ayuda a estudiar los fenómenos de interferencia.

Lo que hacemos es generar el láser, este haz de onda electromagnética se divide en dos caminos gracias a espejos especiales que dejan pasar la mitad de la onda y la otra la reflejan.  Así podemos dividir el haz y enviarlo en dos direcciones distintas.

En LIGO los láseres recorren brazos de 4km de largo.  Al final del camino rebotan en un espejo que los vuelve a enviar por donde han venido.  Los dos haces llegan otra vez al espejo divisor de haz del principio y se recombinan.

IFO

Es en esa recombinación donde se produce el patrón de interferencia.

Una cuestión importante es que el patrón de interferencia depende del camino total recorrido por cada uno de los haces. Variando el camino recorrido, la longitud de los brazos de LIGO variará el patrón de interferencia. Los brazos de LIGO que tienen este aspecto:

Aerial5

virgo1

Por lo tanto, en LIGO están permanentemente mirando el patrón de interferencia del interferómetro láser.

¿Ondas gravitacionales?

Como hemos comentado en distintas entradas anteriores, una onda gravitacional lo que hace es estirar y comprimir distintas direcciones del espacio.  En tres dimensiones es algo así en el caso más simple:

gw-waves-wave

Visto desde frente lo que veríamos es que una dirección se estira y la otra se contrae periódicamente:

GravitationalWave_PlusPolarization

 

Eso es el propio espacio ondulando, una maravilla. Una predicción de la Relatividad General.

¿Qué pasa en LIGO cuando pasa una onda gravitacional?

Pues como os podéis imaginar no pasa nada apreciable.  Las ondas gravitacionales seguro que llevan toda la vida pasando por aquí (en caso de existir) y no hemos notado nada.  Pero el cacharro ha de servir para algo y para lo que sirve es para notar esas dilataciones y contracciones del espacio.

De forma exagerada lo que pasa en LIGO durante el tránsito de una onda gravitacional es algo así:

giphy

Los brazos se alargarían y se acortarían en distintas direcciones.

Pero… ¡Un momento!  Eso tendría que producir un cambio en el patrón de interferencia dado que están cambiando las longitudes recorridas de los haces láser.  Y en efecto, eso es lo que busca LIGO, detectar ese movimiento de los brazos del interferómetro.

Ojito, lo que buscan ahí es una variación que es comparable a una distancia de 1/10.000 veces el tamaño de un protón.  Eso en metros es encontrar variaciones de:

0.0000000000000000001 metro  (No los cuentes, son 18 ceros)

De esas variaciones de distancias estamos hablando.  Si se ha conseguido es un orgullo y una satisfacción. Estamos a la espera del anuncio.

Nos seguimos leyendo…

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8 Respuestas a “Así se liga una onda gravitacional con LIGO. Para todo el mundo.

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  3. Entonces (son dudas)
    – Las ondas gravitacionales alteran el espacio, pero no el tiempo.
    – La velocidad de la luz se mantiene constante, pero el espacio no…
    – Los medios tradicionales usados para medir distancias sufren las mismas alteraciones que el espacio que las contiene.
    – desde el punto de vista del observador (que está ubicado dentro del espacio observado) la luz recorre la misma distancia en menor tiempo, pero sin violar la constante C.
    – El tiempo permanece inalterado por las ondas gravitacionales.
    ¿a donde nos llevará todo esto?

    • Yo había entrado a preguntar básicamente lo mismo que este compañero. Estoy acostumbrado a instrumentos de medida en los que, para aislar fenómenos parásitos, se compara con una base que permanece inalterada. Me llama la atención (como lego absoluto) que, estando todo el sistema de medida también sometido al efecto de las ondas gravitacionales, se haya conseguido desacoplar de la magnitud que se quiere medir.

    • – Las ondas gravitacionales también afectan al tiempo, son deformaciones del espacio tiempo. No sé donde se afirma aquí que no deforme el tiempo.
      – No sé que significa un espacio constante.
      – Si utilizaras una regla te daría la razón. Pero la clave está en que utilizas luz.
      – Si la luz va y viene en menor tiempo, por ser c una constante universal y la misma para cada observador, es que ha recorrido menos espacio, no hay tutía.
      – El tiempo también se altera.

      La clave está en que c es una constante universal, y que la observación del experimento se realiza en un punto: en el detector donde se forma el patrón de interferencias. Por lo tanto si el tiempo en cualquier otro punto del experimento sufre una variación al detector le da de esquina. En cambio, si el espacio sufre una deformación tal que hace que los brazos del interferómetro no sean iguales, entonces el detector es capaz observarlo debido a que el patrón de interferencias cambiará.

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