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El IUA y el Programa LIGO
El Dr. Eduardo Domínguez, docente-investigador de nuestra Institución, estuvo trabajando
durante el segundo semestre de 2010, con una beca otorgada por el Departamento de Estado
de U.S.A, en un Centro de Investigación de Ondas Gravitacionales, el cual participa en el
Programa LIGO (Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferometría Láser). Durante
su estadía estuvo realizando observaciones en el Observatorio de Hanford, uno de los dos
Observatorios de Interferometría Láser en los que recientemente se detectó por primera vez el
paso de Ondas Gravitacionales en nuestro Planeta. Actualmente dirige un becario doctoral de
CONICET en temas específicos de propagación láser en medios cristalinos anisotrópicos.
Este tema surgió durante su estadía en el observatorio de Hanford, a raíz de intentar explicar y
controlar un efecto espurio presente en una etapa de modulación del interferómetro.
El 14 de septiembre de 2015 los dos observatorios de Ondas Gravitacionales (OG) instalados
en USA detectaron en forma directa por primera vez el pasaje de Ondas Gravitacionales a
través de nuestro Planeta. Este es sin dudas el evento científico observacional más importante
de las últimas décadas. Estos Observatorios se encuentran montados en las ciudades de
Handford (estado de Washington) y Livingstone (estado de Louisiana) y fueron financiados
con fondos del Programa LIGO (Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferometría
Láser).
Las OG constituyen una de las predicciones de mayor relevancia de la Teoría de la
Relatividad de Albert Einstein.
Hasta el presente se disponía de evidencias de la existencia de las OG, pero eran de carácter
indirecto. En efecto, el cálculo teórico de la cantidad de radiación gravitacional emitida por
ciertos sistemas astrofísicos llamados púlsares permitió explicar, con excelente concordancia,
ciertas observaciones de la evolución temporal del comportamiento de estos sistemas. Por este
largo trabajo observacional, dos científicos, Russell Hulse y Joseph Taylor, recibieron el
premio Nobel de Física en 1993.
La teoría de la Relatividad formulada por Albert Einstein a comienzos del siglo XX describe
la dinámica de los cuerpos del Universo, es decir el movimiento de los mismos en cualquier
escenario físico. Esta teoría se expresa por un conjunto de ecuaciones las cuales están escritas
sobre un espacio-tiempo de 4 dimensiones, que incluye las tres coordenadas espaciales y el
tiempo. En esta teoría el tiempo adquiere la entidad de una dimensión adicional.
En el enfoque de la teoría de Einstein, los cuerpos producen una deformación en el espaciotiempo, de tal forma que es precisamente esta alteración lo que justifica la forma en la que los
cuerpos se mueven. Citando a John A. Weehler, quien fuera colaborador de A. Einstein, “El
espacio-tiempo le dice a la materia como moverse, y la materia le dice al espacio-tiempo
como debe curvarse”.
Para hacer una analogía algo simplista pero bastante clara, el espacio-tiempo puede
compararse con la membrana tensa de una cama elástica. En esta analogía, si un cuerpo de
cierta masa se apoya en la membrana se producirá en ella una depresión, de tal forma que si
un segundo cuerpo se mueve sobre la membrana, lo hará respetando la deformación producida
por el primer cuerpo.
¿Qué son entonces las ondas gravitacionales? Para seguir con esta analogía de la membrana,
cuando una masa se mueve sobre ella producirá una ondulación o arruga sobre ella, la cual se
va a propagar hacia toda la membrana con determinada velocidad, que depende de la
membrana misma. Precisamente estas ondulaciones desplazándose en la membrana
representan la analogía de las ondas gravitacionales en el espacio-tiempo real de la teoría de
Einstein.
Para ser algo más rigurosos, las OG pueden describirse como perturbaciones que se propagan
a través del espacio-tiempo a la velocidad de la luz en el vacío, las cuales alteran la geometría
misma a su paso. Desde un punto de vista teórico, las OG surgen como soluciones de las
ecuaciones de Relatividad General, en un escenario donde el campo gravitacional es débil
-estos es, a una gran distancia del fenómeno que generó la OG-. Esta fue precisamente la
forma en que Einstein introdujo el concepto de OG por primera vez en 1916.
La pregunta que surge entonces es a cerca de las posibles fuentes que generan OG, es decir
qué tipo de fenómenos físicos podrían generarlas. En términos teóricos, cualquier fenómeno
que involucre cuerpos acelerados cuya distribución de masa presente cierta asimetría, genera
OG. Sin embargo, para que estas OG sean posibles de detectar en aparatos terrestres se
necesita una escala de masas y aceleraciones que sólo está presente en escenarios de
cataclismos astrofísicos. Es así que existe un conjunto reducido de tipos de fenómenos que
pueden generar OG detectables en aparatos terrestres; de ellos, el más promisorio para la
primera detección directa de OG es el colapso de dos cuerpos muy masivos, en particular, dos
estrellas de neutrones, dos agujeros negros, o una estrella de neutrones y un agujero negro.
Estos cuerpos giran uno en torno del otro para finalmente terminar colapsando entre ellos y
acabar convirtiéndose en un único objeto compacto. La teoría permite conocer en forma
paramétrica los perfiles de radiación emitidos durante la fase de colapso. El conjunto de
parámetros está conformado por las masas de estos objetos (que varían entre una y cientos de
veces la masa del Sol), los spines, las velocidades iniciales y el parámetro de impacto de
ambos cuerpos.
El punto central en la detección de OG es que estos fenómenos han ocurrido a una distancia
muy grande de nuestro Planeta y por lo tanto, aun cuando la cantidad de energía emitida en
forma de radiación gravitacional por estos fenómenos sea espectacularmente grande -del
orden de unas pocas veces la masa del Sol-, cuando la perturbación llega a la Tierra se puede
describir como una OG cuya amplitud es extremadamente pequeña.
Cabe entonces preguntarse, a cerca de cómo fue posible la detección directa terrestre de estas
ondas a pesar de su reducida amplitud. Para tener una idea de cuál sería la amplitud de las
ondas gravitacionales cuando ellas arriban a nuestro Planeta, hay que pensar primero cuál
sería el efecto que estas ondas producen al propagarse. Esencialmente lo que hacen es
modificar la distancia, de modo que si se colocan dos masas fijas (llamadas masas de prueba),
cuando estas ondas atraviesen el espacio que las separa, la distancia entre las masas va a
cambiar (recordemos la noción de OG como arruga o perturbación que se propaga en el
espacio tiempo). Este efecto constituye la base de la metodología utilizada en el aparato
utilizado en esta detección. La pregunta es ¿cuánto cambia la onda la distancia entre las
masas? Si estas masas están separadas una distancia de 4 Km, entonces el pasaje de la onda
gravitacional apropiada hará variar esta distancia ¡en una magnitud de 10-18 m! ¿Qué significa
esta distancia? A modo de ejemplo, un átomo (que es la noción más elemental de pequeñez
que maneja nuestra intuición) tiene un tamaño promedio de 10-10 m; a su vez, el núcleo
atómico posee un tamaño de 10-15 m (es decir 100.000 veces más pequeño que el átomo). Por
lo tanto, 10-18 m significa una distancia 1000 veces más pequeña que el núcleo de un átomo.
En síntesis, detectar el paso de una onda gravitacional en la Tierra, ¡significa poder detectar
una variación 1000 veces más pequeña que el núcleo atómico en una distancia de 4 Km!
El aparato utilizado para la detección utiliza la técnica de interferometría láser. En esencia,
consta de dos brazos de 4 km de longitud dispuestos de manera perpendicular y unidos por
uno de sus extremos. Dentro de ellos se propaga un haz láser infrarrojo de alta potencia en un
ambiente muy controlado. En ambos extremos de cada brazo se montan sendos espejos
láseres (los cuales ofician de masas de prueba), cuya distancia relativa cambiará cuando una
OG los atraviese. La idea es entonces que el haz láser es dividido para ingresar
simultáneamente a ambos brazos, se refleja en el espejo colocado en el otro extremo de cada
brazo y luego retorna al punto inicial. Dado que la longitud de ambos brazos es exactamente
igual, entonces los haces que recorren ambos brazos se recombinan de la manera esperada.
Sin embargo, cuando una OG pasa a través del interferómetro, ambos brazos cambiarán su
longitud, lo cual afectará consecuentemente la amplitud del láser resultante luego de la
recombinación. Esto es precisamente lo que permite detectar el paso de la OG.
Cabe destacar que en vista de las magnitudes antes mencionadas, la detección de OG implica
un extremo control de las posibles fuentes de ruido que puedan afectar la distancia entre las
masas de prueba de los brazos del interferómetro.
En relación al evento astrofísico que generó las OG recientemente detectadas, la teoría señala
que corresponde a la etapa final de la colisión de dos agujeros negros. El motivo de esta
afirmación surge de la sorprendente coincidencia entre las señales observadas por ambos
interferómetros y los perfiles de onda teóricos obtenidos por simulación computacional de las
ecuaciones de campo de la teoría de Einstein. Más específicamente, existe un notable acuerdo
entre las evoluciones temporales de la amplitud y la frecuencia de las OG medidas y las
correspondientes a las de las OG calculadas cuando arriban a la Tierra, habiendo sido emitidas
hace muchísimo tiempo, durante los últimos giros antes del colapso de ambos agujeros
negros. De acuerdo a la Teoría de la Relatividad, durante el proceso de colisión, ambos
cuerpos orbitan uno en torno del otro emitiendo radiación gravitacional, lo cual hace que
ambos cuerpos se aproximen mientras giran. En la fase final, los agujeros negros alcanzan
velocidades del orden de la mitad de la velocidad de la luz, la emisión gravitacional aumenta
entonces enormemente y finalmente ellos colapsan, formando un único agujero negro. En
base a ajustes realizados por simulaciones computacionales sobre las formas de onda medidas
por los interferómetros, es posible estimar las masas y spines de estos cuerpos. Se obtiene
entonces que sus masas fueron de 29 y 36 veces la masa de nuestro Sol y ambos cuerpos
colapsaron formando un único agujero negro, cuya masa es 62 veces la masa solar. La
diferencia de 3 masas solares faltantes con respecto a las masas iniciales de los agujeros
negros se debe básicamente a la radiación gravitacional emitida durante toda la colisión.
Asimismo, la amplitud de las formas de onda medidas por el interferómetro permite estimar
que el tiempo de ocurrencia del fenómeno se ubica entre 1000 y 1500 millones de años atrás.
Para tratar de dimensionar este fenómeno, pensemos en que se trata de la colisión de dos
objetos cuyos diámetros tienen entre 150 Km y 200 Km, pero la masa de cada uno de ellos es
30 veces la masa del Sol. Este evento, de proporciones gigantescas, dura en total una fracción
de segundo y durante el mismo la radiación gravitacional emitida equivale a tres veces la
masa solar. En términos de potencia radiada, el fenómeno llega a un pico que supera 50 veces
la potencia de la radiación visible emitida por el Universo completo. Un cálculo aproximado
de la energía radiada indica que es del orden de 1047 joules. Para darnos una idea de esta
magnitud, pensemos en que la energía de un rayo está en el orden de 1010 joules ¡Es decir que
la energía emitida es 1037 veces la energía involucrada en un rayo!
La magnitud de este fenómeno hace que si recibiésemos el impacto de la radiación
gravitacional emitida aun a una distancia de miles de kilómetros del lugar de ocurrencia, el
efecto sobre las partículas que forman nuestro organismo sería devastador, en virtud de lo que
se conoce como las fuerzas de marea producidas por la misma radiación gravitacional. En
efecto, la perturbación de la geometría generada por las OG que hace que la distancia entre
masas de prueba cambie cuando la OG las alcanza, disminuye con el inverso de la distancia
entre la fuente de OG y dichas masas. Por lo tanto, cuando la OG arriba a la Tierra, dada la
inmensa distancia a la fuente que la generó, su amplitud resulta extremadamente reducida.
Resulta importante destacar la importancia dual de la observación recientemente anunciada.
En efecto, si bien es la primera detección directa de las OG, también constituye la primera
observación del colapso de un sistema binario de agujeros negros, lo cual resulta una
confirmación de la existencia de este tipo de objetos.
Finalmente, cabe destacar que la detección de las OG abre una nueva puerta a la observación
del Universo: la astronomía de OG. Esto permitirá observar una multitud de fenómenos
nuevos, hasta el presente esquivos para la astronomía actual, basada en la radiación
electromagnética.
Dr. Alfredo Eduardo Domínguez