Search
figure1.jpg

Ondas gravitacionales y esas cosas raras que vienen del espacio exterior

Autor
Categoría
Ciencia
Física
Astronomía
Tecnología
Fecha de Publicación
2017/10/11
7 more properties
ūüí°
Imagen: NASA
Seguramente usted ya sabe que el Premio Nobel de F√≠sica 2017 le fue entregado a Rainer Weiss, Barry Barish y Kip Thorne, que son parte del equipo cient√≠fico que detect√≥ y midi√≥ con precisi√≥n algo llamado ¬ęondas gravitacionales¬Ľ que ven√≠an del espacio exterior, luego de viajar millones de a√Īos luz.
¬ŅY de qu√© trata esto? ¬ŅPor qu√© siguen descubriendo y descubriendo cosas? ¬ŅNo se cansan de andar hurgueteando en los misterios c√≥smicos?
Pues no.
A estas alturas, deber√≠amos inventar un concepto nuevo para el momento hist√≥rico que estamos viviendo. Llamarle ¬ęera de los descubrimientos¬Ľ es insuficiente; ¬ęera moderna¬Ľ es flojo y corto de vista (y nos remite m√°s a la pel√≠cula de Chaplin); ¬ęera digital¬Ľ suena a columna de opini√≥n en ese diario que miente; y cualquier cosa que comience por ¬ępost¬Ľ es insultante.
Estamos viviendo en una √©poca donde TODAS LAS SEMANAS se descubre algo nuevo en ciencia. CADA MES se reescribe alg√ļn elemento relevante de los libros. Y al menos una vez por a√Īo DESCUBRIMOS UN NUEVO CAMPO de investigaci√≥n.
¬ŅQuiere un ejemplo?
Hablemos de las ondas gravitacionales. Con esas custiones (?) alucinaba un ni√Īo, como usted y como yo, que en su adultez logr√≥ desentra√Īar algunos de los misterios fundamentales de la f√≠sica. Ese ni√Īo era el mism√≠simo Albert Einstein (esta vez es cierto, ah).
En 1916, el ya bigot√≥n Einstein revolucion√≥ el mundo con su concepci√≥n de un universo en constante tira y afloja entre la cantidad de materia y de energ√≠a que existe en alg√ļn lugar del espacio y del tiempo (espacio-tiempo para los m√°s si√ļticos) y la forma en que este mismo espacio-tiempo se curva y deforma. Las ecuaciones de Einstein (desarrolladas con la ayuda invaluable de la espectacular Emmy Noether, #cr√° de la geometr√≠a diferencial y monstruo de las matem√°ticas) representan este juego constante: el espacio-tiempo se curva y deforma por la cantidad de energ√≠a y materia que existe, y esta energ√≠a-materia (¬Ņvio? Tambi√©n nos gusta la siutiquer√≠a) se mueve y evoluciona en un espacio-tiempo curvado.
¬ŅSuena algo confuso? Pues le damos la bienvenida a nuestro universo.

Esta materia es un asunto de gravedad

La fuerza de gravedad es, tal como lo dice el nombre, una fuerza que produce la materia con masa: donde haya materia con masa (y sí, hay materia sin masa, como los fotones), hay gravedad. Y mientras más materia se agrupa, más fuerza de gravedad ejerce.
Las cosas masivas atraen a otras cosas masivas. De hecho, cuando usted camina por la calle atrae (levemente) a los √°rboles, al edificio de all√≠ al lado, o a las moscas (si no se ba√Ī√≥ y atrae a un par de moscas, puede justificar que no es el olor, sino la gravedad). Claro, la atracci√≥n que ejerce su cuerpo es muy poca, porque aunque usted fuera un luchador de sumo, tiene muy poca masa. De hecho, incluso un cuerpo tan grande como Deimos, una de las lunas de Marte (que tiene alrededor de 12 km de di√°metro), tiene tan poca masa que usted podr√≠a escapar de su fuerza gravitatoria andando en bicicleta. Pi√©nselo cuando quiera comenzar alguna dieta: su masa est√° bien porque no atraer√≠a ni a un mosquito
Pero un cuerpo con suficiente masa (como una estrella) puede atraer planetas para que lo orbiten... Y hasta podría atraer a otra estrella.
Otra gracia de la gravedad es que viaja a la velocidad de la luz. Es decir, sus efectos tienen una velocidad, no son instantáneos: si alguien se robara nuestro Sol, los efectos por la ausencia de su gravedad se percibirían en la Tierra 8 minutos más tarde (o sea, usted alcanzaría demás a leer este post antes de percibir que se robaron el Sol).
Y como si fuera poco, la gravedad curva el tiempo y el espacio. Mientras mayor sea la masa (y, por lo tanto, la gravedad) de un cuerpo, m√°s afecta el tiempo y el espacio a su alrededor. Eso significa que, literalmente, el tiempo se mueve m√°s lento cuando m√°s cerca est√° de un cuerpo de gran masa.
Es decir, si usted tiene dos relojes perfectamente sincronizados, se lleva uno muy cerca de una estrella y otro muy lejos, deja pasar un tiempo y luego los junta de nuevo, se dar√° cuenta de que el reloj que estaba cerca de la estrella estar√° ¬ęatrasado¬Ľ. Esto ocurre porque la curvatura del espacio es m√°s extrema en ese lugar. Interstellar nos mostr√≥ eso, aunque se fueron al porcino con la escala de dilataci√≥n del tiempo.
Untitled.png
Si también se le vino a la mente esta escena, usted tuvo una infancia feliz.
En nuestro universo observable hay objetos que tienen tienen tanta masa que ni la luz logra escapar de la fuerza gravitatoria que producen, curvando y deformando el espacio-tiempo de manera brutal. A estos objetos se les conoce como agujeros negros, nombre acu√Īado por John A. Wheeler, y son especialmente importantes para entender qu√© demonios son las ondas gravitacionales, as√≠ es que volveremos a ellos un poco m√°s adelante.

Black Jack de ceros

Volvamos a 1916, el a√Īo de la primera transfusi√≥n de sangre exitosa, con la Primera Guerra Mundial a toda trinchera y el compa√Īero Volodia Teitelboim saliendo de la panza de su madre (!). Ese a√Īo, Einstein determin√≥ que una perturbaci√≥n del campo gravitatorio en un lugar del espacio-tiempo se propagar√≠a a trav√©s de este como si fuesen ondas en la superficie de un lago pl√°cido. Al principio, ni √©l mismo se lo cre√≠a, muy en el estilo del rey del metro cuadrado [¬°No tengo por qu√© estar de acuerdo con lo que pienso!]. Pero luego de conversaciones con Willem de Sitter y Edwin Schr√∂dinger (que no es c√©lebre solo por su gato), se convenci√≥ de que sus ecuaciones pod√≠an tener una soluci√≥n que oscilaba en el espacio y el tiempo, reordenando la gravedad a medida que avanzaban sin mediar planetas, galaxias o estrellas. Algo as√≠ como los furiosos ciclistas, pero con mayor capacidad de alumbramiento.
Las ondas gravitacionales que predicen las ecuaciones de Einstein se propagan a la velocidad de la luz (sus buenos 300 mil km/s) y su amplitud de oscilaci√≥n depende de la cantidad de energ√≠a y masa que la genera. A medida que se propagan, su amplitud se hace cada vez m√°s peque√Īa, tal como lo hace la onda superficial de agua generada por una piedra en el lago mencionado anteriormente. Pero, a diferencia de las ondas superficiales que se ven en el agua, las ondas gravitacionales deforman el espacio y el tiempo, de la misma forma como lo hacen las mareas. Por lo tanto, estas deformaciones podr√≠an ser, te√≥ricamente, detectadas y medidas.
Bueno, antes de medir algo, se le tiene que ocurrir la idea de medir. Medir ondas gravitacionales sonaba, desde el tiempo del joven Einstein, dif√≠cil. Dif√≠cil por lo que se tiene que medir y por los √≥rdenes de magnitud de lo que se mide. ¬ŅQu√© se mide? La deformaci√≥n del espacio-tiempo a medida que una onda gravitacional se propaga a trav√©s de √©ste (algo que ya suena a lenguaje de los Halcones Gal√°cticos).
Ahora viene lo complicado: ¬Ņcu√°nto se deforma el espacio-tiempo por el paso de una onda gravitacional? La respuesta es que depende del evento que genera la onda. Este puede ser muy d√©bil o extraordinariamente potente (piense en la energ√≠a necesaria para prender todas las estrellas del universo observable juntas durante un segundo). El problema es que la amplitud de una onda gravitacional se hace cada vez m√°s peque√Īa a medida que se propaga, pudiendo ser extremadamente peque√Īa si la distancia que recorre la onda desde su fuente hasta nuestro vecindario es sideral.
¬ŅCu√°n peque√Īa? Si uno piensa que una onda gravitacional deforma el espacio-tiempo, la deformaci√≥n medida por un evento de magnitudes c√≥smicas ‚ÄĒpiense en la colisi√≥n de dos agujeros negros 20 veces m√°s masivos que nuestro Sol‚ÄĒ puede ser muy peque√Īa.
Untitled.png
Las ondas gravitacionales son deformaciones en el espacio-tiempo que VIENEN DEL ESPACIO EXTERIOR.
Kip Thorne, físico y cosmólogo estadounidense estimó cuán grande debería ser esa deformación en el caso de un evento tan ridículamente grande como la colisión de esos dos agujeros negros mencionados. Luego de algunos cálculos sencillos (?) encontró que la deformación que experimentaría una zona de largo L del espacio-tiempo por donde pasa una onda gravitacional sería||
10‚ąí2110^{-21}
veces ese largo. 21 ceros seguidos de un 1.
0,000000000000000000001
Ahora, ¬Ņc√≥mo medimos algo tan peque√Īo?
Untitled.png
¬ę¬ŅEso es peque√Īo? bitch, please¬Ľ dijo Lessly, el electr√≥n engre√≠do.

Estirando el chicle con l√°ser

Todo suena mejor con l√°seres (incluida las espadas: SIONO). Ahora, p√≥ngale la palabra ¬ęinterferometr√≠a¬Ľ antes y d√≠game si no suena a millennial (nos ofender√≠a si eso le ofende).
¬ŅQu√© es un l√°ser? Es un generador de luz amplificada por emisi√≥n estimulada de radiaci√≥n, pero eso es para otro post (otra del amigo bigot√≥n, ah). Lo que s√≠ nos importa es que un l√°ser genera luz de una longitud de onda definida y muy focalizada. As√≠ que podemos usar esta idea para medir distancias con una precisi√≥n rid√≠cula. Para eso recordemos (?) que, t√≠picamente, la longitud de onda de un l√°ser de luz visible (como la del cl√°sico puntero l√°ser que les enchufar√°n a los jugadores del f√ļtbol circular) es del orden de 400 a 600 nan√≥metros, sabiendo que un nan√≥metro es
10‚ąí910^{-9}
metros.
Ahora, imagínese que la luz generada por un láser la dividimos en dos partes: una parte en una dirección y otra parte en otra perpendicular a la primera. Elijamos que estos caminos ópticos sean ortogonales para hacer la cosa más sencilla. Hagamos que la luz que enviamos por cada uno de estos caminos ópticos se refleje en un espejo, de tal manera que la luz vuelva por el mismo camino pero en la dirección opuesta hacia la fuente de la luz del láser. Ahora tomaremos ambas luces y las sumaremos en un detector de esta luz. La intensidad de esta luz dependerá de la diferencia de camino recorrido entre ambas partes de la luz láser inicial. Este tipo de interferómetro (la maquinita que hace interferir constructivamente o destructivamente los haces de luz láser) se llama interferómetro de Michelson y Morley, quienes midieron que la velocidad de luz es constante (y es por ello que les dieron el Premio Nobel en 1907).
¬ŅPor qu√© esto le deber√≠a importar a la hora de medir esos 21 ceros seguidos de un 1 de la deformaci√≥n de una onda gravitacional? Rainer Weiss le explicar√° el porqu√©.
Weiss, f√≠sico experimental experto en interferometr√≠a l√°ser, se dedic√≥ desde la d√©cada de 1970 a construir y generar interfer√≥metros muy estables. En la colaboraci√≥n LIGO (Large Interferometer Gravitational Wave Observatory), Weiss se fue al chancho: los brazos de su interfer√≥metro de Michelson y Morley miden 4 kil√≥metros cada uno (o sea, m√°s del doble del tama√Īo de un Destructor Estelar Clase I).
Untitled.png
El LIGO es tan grande que ni siquiera cabría en el armatoste que aparece al principio de Una nueva esperanza.
Con esa distancia, controlando precisamente la distancia entre los espejos y el detector, evitando y filtrando las fluctuaciones t√©rmicas de todo el sistema, LIGO logr√≥ llegar a la sensibilidad necesaria para poder observar ondas gravitacionales como las estimadas por Thorne. Con esa precisi√≥n, los dos observatorios en Estados Unidos de LIGO, uno en Livinsgton y otro en Hanford, la colaboraci√≥n logr√≥ medir el 5 de diciembre de 2014 la colisi√≥n de dos agujeros negros, mostrando que la √ļltima deducci√≥n de Einstein sobre su Teor√≠a de la Relatividad General era correcta. Por ello, el Premio Nobel de F√≠sica 2017 le fue entregado a Rainer Weiss, Barry Barish y Kip Thorne.
Untitled.png
LIGO Livingston. Imagen: Caltech/MIT/LIGO Lab
Ahora ya sabe, la próxima vez que necesite entender las ondas gravitacionales, puede preguntarle a los ganadores del Nobel o, en el peor de los casos, a nuestro equipo etilmercurista. No vaya a terminar preguntándole a un tarotista, como ocurrió en la TV: