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Ondas gravitacionales y fusión de agujeros negros para chanchitos

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Disfraz cortesía de @TazaRojaLaika

Hoy, 12 de febrero de 2016, Los Tres Chanchitos (@Los3_Chanchitos) nos hemos decidido a explicar el tema de las ondas gravitacionales y el descubrimiento de la fusión de agujeros negros.

Ayer, 11 de febrero de 2016, se anunció que, por primera vez, se había detectado una onda gravitacional de forma directa y que esta procedía del proceso de colisión y fusión de dos agujeros negros.

Aquí el audio del programa:

Que puedes descargar aquí:  #3chachitosPI para escuchar cuando mejor te venga.

En este blog se intentó explicar los puntos más esenciales de todo esto pero no es seguro que se consiguiera.  Así, tomando un poco más de perspectiva y con más tranquilidad vamos a intentar explicarlo todo de forma ordenada, en una única entrada y con gran uso de imágenes y vídeos.  Todo esto para que los chanchiters puedan seguir la explicación que vamos a dar en directo sobre el tema en SevillaWebRadio.com.

Una entrada locutada en directo, no podéis tener queja.

Por cierto, el artículo de LIGO está libre:

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Así se cortejan dos agujeros negros, con ondas gravitacionales

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La Relatividad General es la teoría que nos ha enseñado a pensar en el espaciotiempo como algo que se adapta e interactúa con el resto de campos.  La gravedad no es más que la manifestación de la geometría cambiante del espaciotiempo en respuesta a las energías y los flujos de energía que por él discurren.

Una de las consecuencias más salvajes y hermosas de la relatividad general es que en determinados fenómenos se podrían generar ondas gravitacionales.  Ondulaciones en el espaciotiempo que se propagan por ahí.  Claro está que cuando una teoría hace una predicción lo que tenemos que intentar es comprobar si ha acertado o no.

Pues bien, llevamos mucho, mucho tiempo intentado cazar una onda gravitacional.  No se han dejado fácilmente.  Pero hoy, el 11 de febrero de 2016 se ha anunciado que ya sabemos detectarlas. Hemos aprendido a descubrir las ondulaciones del espaciotiempo.  Y eso es maravilloso porque nos sitúa en una nueva etapa del estudio del universo.  Ya no contamos tan solo, y sin desmerecer, con las ondas electromagnéticas, ahora tenemos a la gravedad dispuesta a contarnos sus secretos. Y eso, amigos y amigas, es una cosa fabulosa.

Antes de seguir con esta entrada tal vez quieras leer:  Así se liga una onda gravitacional con LIGO. Para todo el mundo  Ahí se explica el procedimiento de medida.  En esta entrada vamos a explicar qué es lo que se ha medido, la información que podemos obtener.

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Streaming de la conferencia de prensa de LIGO

Aquí podéis encontrar la emisión en directo de la rueda de prensa del proyecto LIGO:

(Este es el que parece que va a funcionar)

De confirmarse la detección directa de la primera onda gravitacional podemos decir que se acaba de abrir el terreno para una nueva forma de observación del universo. Seremos capaces de observarlo con “ojos gravitatorios”.

Las ondas gravitacionales se producen en muchos fenómenos, pero las que se podrán detectar por tener la suficiente intensidad y energía serán las generadas por eventos muy dramáticos como la colisión de dos agujeros negros o que un agujero negro se trague algún objeto compacto tipo estrella de neutrones.

Además, detectada una será fácil detectarlas todas.  La ciencia es así, lo difícil es encontrar algo la primera vez, luego pasa como cuando te rompes un brazo que parece que todo el mundo va con escayola, al final veremos ondas gravitacionales por todos sitios y de cualquier manera.  Es cuestión de técnica y cuestión de práctica.

Con ellas podremos entender mucho mejor el espaciotiempo, los límites de la relatividad general, si es que los tiene, el comportamiento y naturaleza de los agujeros negros, fenómenos formidables del universo y un largo etc.

Una nueva herramienta que seguro que se convierte en la herramienta preferida de mucha gente de la astrofísica.  Pero por ahora tenemos que esperar a ver qué nos cuentan.

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:

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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:

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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.

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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:

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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:

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

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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:

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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…

La que se avecina. Las ondas gravitacionales 2

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Continuamos con nuestro paseo por el mundo de las ondas gravitacionales. En este caso vamos a tratar de entender la física de tales ondas, su generación y su detección.

Esta entrada es la continuación de:  La que se avecina. Las ondas gravitacionales 1.

Puede que mañana, tras las rueda de prensa de LIGO y colaboradores estas dos entradas convenga tenerlas a mano para entender el aluvión de noticias que puede generar el asunto.

Vamos al lío.

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