Ondas Gravitacionales: ¿Qué son?, Descubrimiento, Características y Más

Las Ondas Gravitacionales consisten en una especie de perturbaciones o curvaturas que ocurren en el espacio – tiempo, las cuales son propagadas como las ondas producidas en el agua. En el siguiente artículo conoceremos más acerca de este tipo de tejido espacial, en que consiste, como se observan y mucho más.

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¿ Qué son las Ondas Gravitacionales ?

Las Ondas Gravitacionales son las llamadas perturbaciones en la curvatura o también denominado tejido del espacio – tiempo, las cuales son generadas por las masas aceleradas, que se tienden a propagar como una especie de ondas hacia afuera desde su fuente a la velocidad de la luz. Esta teoría primero fue propuesta por Henri Poincaré en el año 1905 y posteriormente fue predicho en el año 1916 por el famoso científico Albert Einstein sobre la base de su teoría general de la relatividad.

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Las Ondas Gravitacionales suelen transportar energía como la radiación gravitacional, una forma de energía radiante la cual es muy parecida a la radiación electromagnética. La ley de Newton de la gravitación universal, parte de la mecánica clásica, no proporciona su existencia, ya que dicha ley se basa en la suposición de que las interacciones físicas se tienden a propagar instantáneamente a una velocidad infinita, mostrando una de las formas en que los métodos de la física clásica son incapaces de explicar los fenómenos asociados con la relatividad.

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La astronomía de las Ondas Gravitacionales es una rama de la astronomía observacional que utiliza las Ondas Gravitacionales para llegar a recopilar los datos de observación sobre fuentes de las Ondas Gravitacionales detectables, como unos sistemas binarios de estrellas compuestas, las estrellas de neutrones y los agujeros negros; y también los eventos como las supernovas y la formación del universo temprano poco después del Big Bang.

El 11 de febrero del año 2016, la organización denominada LIGO y también Virgo Scientific Collaboration llegaron a anunciar que habían realizado la 1ra observación de las Ondas Gravitacionales. La observación se realizó unos 5 meses antes, el 14 de septiembre del año 2015, utilizando los detectores de Advanced LIGO. Las Ondas Gravitacionales se originaron a partir de un par de agujeros negros que fueron fusionados.

Después del anuncio inicial, los instrumentos LIGO llegaron a detectar unos 2 eventos de Ondas Gravitacionales que fueron confirmados y 1 potencial más. En el mes de agosto del año 2017, los 2 instrumentos LIGO y el instrumento Virgo llegaron a observar 4ta Ondas Gravitacionales de la fusión de los agujeros negros, y 5ta onda gravitacional de una fusión binaria de las estrellas de neutrones. Varios de los otros detectores de ondas gravitacionales se encuentran planificados o en construcción.

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Introducción

En la teoría de la relatividad general del famoso Einstein, la gravedad se trata como un fenómeno resultante de la curvatura del llamado espacio – tiempo. Esta clase de curvatura es provocada por la presencia de masa. Por lo general, mientras más masa contenga un volumen dado del espacio, mayor será la curvatura del espacio – tiempo en el límite de su volumen.

A medida que los objetos con masa se tienden a mover en el espacio – tiempo, la curvatura cambia para de esa manera reflejar las ubicaciones cambiadas de esos objetos. En algunas circunstancias, los objetos que se aceleran tienden a generar ciertos cambios en esta curvatura, que se propagan hacia afuera a la velocidad de la luz en una especie o forma de onda. Estos fenómenos de propagación son conocidos como las denominadas Ondas Gravitacionales.

Cuando una onda gravitacional pasa a un observador, este observador encontrará el espacio – tiempo distorsionado por los efectos de la tensión. Las distancias entre los objetos tienden a aumentar y disminuyen rítmicamente a medida que la onda pasa, a una frecuencia igual a la de la onda. Esto ocurre a pesar de que dichos objetos libres nunca se encuentren sujetos a una fuerza desequilibrada. La magnitud de este efecto disminuye en proporción a la distancia inversa de la fuente.

La llamada Inspiraling estrellas de neutrones binaria se piensa que sea una poderosa fuente de Onda Gravitacionales, ya que se unen, debido a la gran aceleración de sus masas a medida que orbitan cerca 1 del otro. No obstante, debido a las distancias astronómicas a estas fuentes, se predice que los efectos medidos en la Tierra serán muy pequeños, teniendo cepas de menos de 1 parte.

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Su Descubrimiento

La posibilidad de las Ondas Gravitacionales fue discutida en el año 1893 por Oliver Heaviside utilizando la analogía entre la ley del cuadrado inverso en gravitación y electricidad. En el año 1905, Henri Poincaré propuso por 1ra vez las Ondas Gravitacionales, que emanaban de un cuerpo y se propagaban a la velocidad de la luz, como requeridas por las transformaciones de Lorentz y sugirió que, en la analogía a una carga eléctrica acelerada que va produciendo las ondas electromagnéticas, las masas aceleradas en una teoría relativista de campo de la gravedad deberían de llegar a producir las ondas gravitacionales.

Cuando Einstein publicó su teoría general sobre la relatividad en el año 1915, era escéptico de la idea de Poincaré ya que la teoría implicaba que no había ” dipolos gravitacionales “. Sin embargo, siguió persiguiendo la idea y, basándose en las diversas aproximaciones, y llegó a la conclusión de que, de hecho, debe haber 3 tipos de ondas gravitacionales denominadas:

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  1. Longitudinal – Longitudinal

  1. Transversal – Longitudinal

  1. Transversal – Transversal por Hermann Weyl.

No obstante, la naturaleza de las aproximaciones de Einstein condujo a muchos incluyendo el mismo Einstein a llegar a dudar del resultado. En el año 1922, Arthur Eddington demostró que 2 de los tipos de ondas de Einstein eran artefactos del sistema de coordenadas que utilizaba, y se podía hacer que se propagaran a cualquier velocidad eligiendo coordenadas apropiadas, haciendo que Eddington bromeara diciendo que ” se propagan a la velocidad del pensamiento “.

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Esto también arrojó las dudas sobre la fisicalidad del 3er tipo la llamada Transversal – Transversal que Eddington llegó a mostrar que siempre se propaga a la velocidad de la luz independientemente del sistema de coordenadas. En el año 1936, Einstein y Nathan Rosen enviaron un trabajo a Physical Reviewen en el que afirmaban que las ondas gravitacionales no podían llegar a existir en la teoría general de la relatividad porque cualquier solución de las ecuaciones de campo tendría una singularidad.

La revista envió su documento para ser revisado por Howard P. Robertson, quien de manera anónima informó que las singularidades en cuestión eran simplemente las incoherentes singularidades coordinadas de las coordenadas cilíndricas empleadas.

Albert Einstein

La teoría del famoso físico Einstein explicó que así es como funciona la gravedad. Un objeto como la Tierra tiende a doblar el espacio – tiempo a su alrededor, haciendo que los objetos como la luna ” se tiendan a curvar ” en dirección a él. El sol, que es mucho más grande que la Tierra, causa una distorsión tan profunda que los planetas del sistema solar orbitan en lugar de alejarse volando.

La relatividad general es considerada uno de los descubrimientos científicos mejor comprobados en la historia de la humanidad, sin embargo una de sus predicciones de la clave de las Onda Gravitacionales nunca se había probado como verdadera.

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La teoría de Einstein predijo que ciertos eventos colosales en el espacio, ocurrirían como por ejemplo la colisión entre 2 agujeros negros, los objetos más densos y más masivos en el universo, los cuales crearían las ondas gravitatorias. Estas ondas serían las distorsiones en el tejido del espacio – tiempo, donde se llegaría a estirar y encoger, y también viajarían desde el evento hacia afuera por medio del universo como unas ondas que se extienden desde un chapoteo en un estanque.

No obstante, tales ondas distorsionarían el espacio en pequeñas cantidades que serían imposibles de detectar esto es, “ imposible ”, hasta el 14 de septiembre del año 2015, cuando los científicos que trabajan en el experimento del Observatorio de las Onda Gravitacionales del interferómetro láser ( LIGO ) sí detectaron la existencia de las ondas de espacio – tiempo.

Los instrumentos extraordinariamente sensibles de LIGO llegaron a medir el estiramiento y la reducción del espacio – tiempo, de una de las ” ondas ” de un evento cósmico masivo, cuando una onda gravitacional pasó a través de la tierra. Lo hizo a pesar de que la distorsión en el espacio – tiempo era extremadamente pequeña tan solo una milésima parte del diámetro de un protón subatómico.

Stephen Hawking 

Las Ondas Gravitacionales proporcionan una forma completamente nueva de mirar el universo, esto fue dicho por Hawking.

” La capacidad de detectarlos tiene el potencial de revolucionar la astronomía “.

Usando las estaciones gemelas de observación de LIGO localizadas en Louisiana y Washington, los físicos no solo detectaron las ondas gravitacionales; las ondas gravitacionales que detectaron tenían una señal muy clara de que los modelos teóricos muy parecidos de una fusión de agujeros negros se encontraban a unos 1.300 millones de años luz de distancia. Ya, desde el análisis inicial de la señal de fusión del agujero negro, Hawking se ha dado cuenta de que el sistema parece alinearse con las teorías que desarrolló en la década del año 1970.

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Características

Las ondas de agua, las ondas de sonido y las ondas electromagnéticas pueden llegar a transportar energía, momento angular y, al hacerlo, las alejan de la fuente. Las Ondas Gravitacionales realizan la misma función que estas. Así, como por ejemplo, un sistema binario pierde el impulso angular cuando los 2 objetos en órbita giran en espiral uno hacia el otro, el momento angular es irradiado por las Ondas Gravitacionales.

Las olas también pueden llevar el impulso lineal, una posibilidad que posee algunas implicaciones interesantes para la astrofísica. Después de que 2 agujeros negros supermasivos se fusionan, la emisión del impulso lineal puede llegar a producir una ” patada ” con una amplitud de hasta 4.000 km / s. Esto es lo suficientemente rápido como para llegar a expulsar por completo el agujero negro fusionado de su galaxia anfitriona.

Incluso si la patada es demasiado pequeña para poder expulsar el agujero negro por completo, puede hasta llegar a eliminarlo temporalmente del núcleo de la galaxia, después de lo cual oscilará alrededor del centro, y finalmente se detendrá. Un agujero negro expulsado también puede llevar un cúmulo de estrellas con él, formando un sistema estelar hipercompacto. O en ciertas ocasiones puede llegar a transportar gas, permitiendo que el agujero negro que retrocede aparezca temporalmente como un ” cuásar desnudo “.

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La Detección de las Ondas Gravitacionales

Aunque las ondas del sistema Tierra – Sol son de tamaño minúsculas, los astrónomos pueden llegar a señalar otras fuentes para las cuales la radiación debería ser sustancial. Un ejemplo muy importante es el binario de Hulse – Taylor, el cual consiste en un par de estrellas, una de las cuales es un pulsar. Las características de su órbita se pueden llegar a deducir del desplazamiento Doppler de las señales de radio emitidas por el pulsar.

Cada una de las estrellas posee alrededor de 1,4 M ☉ y el tamaño de sus órbitas es aproximadamente 1/75 de la órbita Tierra – Sol, es decir un poco más grande que el diámetro de nuestro propio sol. La combinación de la masas más grandes y una separación más pequeña significa que la energía emitida por el binario de Hulse – Taylor será mucho mayor que la energía emitida por el sistema Tierra – Sol, aproximadamente de 10 a 22 veces más.

La información sobre la órbita puede llegar a usarse para predecir cuánta energía y momento angular se irradiaría en las forma de ondas gravitatorias. A medida que el sistema binario pierde energía, las estrellas se acercan gradualmente entre sí, y el período orbital tiende a disminuir. La trayectoria resultante de cada estrella es un espiral, una espiral con radio decreciente.

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La relatividad general describe con precisión estas trayectorias; en particular, la energía radiada en las ondas gravitacionales determina la tasa de disminución en el período, definida como el intervalo de tiempo entre los periastrones y los sucesivos puntos de aproximación más cercana de las 2 estrellas. Para el pulsar de Hulse – Taylor, el cambio de corriente pronosticado en el radio es de aproximadamente 3 mm por órbita, y el cambio en el período de 7.75 h es de aproximadamente 2 segundos por año.

Las observaciones cuidadosas del tiempo de Taylor y Joel Weisberg confirmaron drásticamente la disminución del período predicho hasta dentro del 10 %. Con las estadísticas mejoradas de más de 30 años de datos de sincronización desde el descubrimiento del púlsar, el cambio observado en el período orbital coincide actualmente con la predicción de radiación gravitacional asumida por la relatividad general dentro del 0,2 %.

En el año 1993, impulsado en parte por esta detección indirecta de ondas gravitacionales, el Comité Nobel otorgó el Premio Nobel de Física a Hulse y Taylor por ” el descubrimiento de un nuevo tipo de pulsar, un descubrimiento que ha abierto nuevas posibilidades para el estudio de la gravitación “. La vida útil de este sistema binario, desde el presente hasta la fusión, se estima en unos pocos cientos de millones de años.

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Premio Nobel

En el año 2017, el Premio Nobel de Física fue otorgado a Rainer Weiss, Kip Thorne y Barry Barish por su papel en la detección de ondas gravitacionales.

El Premio Nobel de Física 2017 fue dividido, una mitad otorgada a Rainer Weiss, la otra mitad conjuntamente a Barry C. Barish y Kip S. Thorne ” por las contribuciones decisivas al detector LIGO y la observación de ondas gravitacionales “.

LIGO 

El interferómetro láser de onda gravitacional Observatorio conocido por sus siglas ( LIGO ) es un observatorio de física a gran escala y un observatorio para poder detectar las ondas gravitacionales cósmicas y para poder desarrollar las observaciones de las ondas gravitacionales como una herramienta astronómica. Se construyeron 2 grandes observatorios en los Estados Unidos con el objetivo de detectar las ondas gravitacionales mediante la interferometría láser.

Estos pueden llegar a detectar un cambio en el espaciado de 4 km de los espejos de menos de 10 milésimas del diámetro de carga de un protón, este es equivalente a medir la distancia desde la Tierra a la Proxima Centauri a unos 4.0208×10 13km con una precisión más pequeña que el ancho de un cabello humano.

Los primeros observatorios de LIGO fueron financiados por la National Science Foundation ( NSF ) y también fueron concebidos, construidos y operados por Caltech y MIT. Ellos recolectaron los datos del año 2002 al año 2010 pero no se llegaron a detectar las Ondas Gravitacionales.

El Proyecto avanzado LIGO que consistía en mejorar los detectores LIGO originales comenzó en el año 2008 y continúa siendo apoyado por la NSF, con las importantes contribuciones del Consejo de Instalaciones de Ciencia y Tecnología del Reino Unido, la Sociedad Max Planck de Alemania y el Consejo de Investigación de Australia.

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Los detectores mejorados comenzaron a funcionar en el año 2015. La detección de las ondas gravitacionales fue reportada en el año siguiente es decir en el 2016 por la Colaboración Científica LIGO ( LSC ) y la Colaboración de Virgo con la participación internacional de los científicos de diversas universidades e instituciones de investigación.

Los científicos involucrados en el proyecto y el análisis de los datos para la astronomía de las ondas gravitacionales se encuentran organizados por el LSC, que incluye a más de 1.000 científicos en todo el mundo, y a unos 440,000 usuarios activos de Einstein @ Home a partir de diciembre del año 2016.

LIGO es el proyecto más grande y ambicioso jamás financiado por la NSF. En el año 2017, el Premio Nobel de Física fue otorgado a Rainer Weiss, a Kip Thorne y Barry C. Barish ” por las contribuciones decisivas al detector LIGO y a la observación de las ondas gravitacionales “y también el ” El Premio Nobel de Física 2015 “.

Detector de Ondas Gravitacionales

Los detectores de las Onda Gravitacionales podrían llegar a detectar mucho más que las ondas gravitacionales. Según un nuevo estudio realizado, también podrían llegar a detectar potencialmente la materia oscura, si la materia oscura se encuentra compuesta de un tipo particular de partículas llamado ” fotón oscuro “. En el futuro, los científicos de LIGO ( Observatorio de la Onda Gravitacional del Interferómetro Láser ) planean implementar una búsqueda de los fotones oscuros, que incluirá ciertas regiones previamente no exploradas del espacio de parámetros de los fotones oscuros.

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Un observatorio de las Onda Gravitacionales o un detector de las ondas gravitacionales es cualquier dispositivo diseñado para poder medir las ondas gravitatorias, diminutas distorsiones del espacio – tiempo que Einstein predijo por 1ra vez en el año 1916. Las ondas gravitacionales son perturbaciones en la curvatura teórica del espacio – tiempo que son causadas por aceleración masas.

La existencia de la radiación gravitacional es una predicción específica de la relatividad general, pero es una característica de todas las teorías de la gravedad que tienden a obedecer a la relatividad especial. Desde la década del año 1960, los detectores de las ondas gravitacionales se han construido y mejorado constantemente.

La generación actual de las antenas de masa resonantes e interferómetros láser ha alcanzado la sensibilidad necesaria para lograra detectar las ondas gravitacionales de fuentes en la Vía Láctea. Los observatorios de las Onda Gravitacionales son la herramienta principal de la astronomía de las ondas gravitacionales.

Diversos experimentos han proporcionado la evidencia indirecta, en particular de la observación de los púlsares binarios, cuyas órbitas evolucionan con precisión las predicciones de la pérdida de energía a través de la emisión relativista general de ondas gravitacionales. El Premio Nobel de Física del año 1993 fue otorgado por este trabajo. (ver artículo: Teoría de Cuerda).

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En febrero de 2016, el equipo de Advanced LIGO anunció que habían detectado ondas gravitacionales de una fusión de agujeros negros. El Premio Nobel de Física 2017 fue otorgado por este trabajo.

Ecuación de las Ondas Gravitacionales

La amplitud predicha para estas ondas y los efectos observables son muy débiles, de modo que su detección directa es extremadamente difícil. La amplitud, de hecho, es muy inferior al ruido vibracional procedente de otras fuentes. Tan sólo los fenómenos más violentos del Universo producen ondas gravitatorias susceptibles de ser detectadas.

Los objetos que estan en el deber emitir las ondas de gravedad detectables de una manera directa son aquellos objetos muy masivos que han sido sometidos a fuertes aceleraciones o cuerpos masivos no homogéneos que van rotando a gran velocidad. Se espera poder encontrar las ondas gravitatorias producidas en los fenómenos cataclísmicos como:

  • La explosión de una supernova.

  • La formación de un agujero negro.

  • El choque de cuerpos masivos como estrellas de neutrones o la coalescencia de agujeros negros.

  • La rotación de una estrella de neutrones heterogénea.

La radiación gravitatoria remanente del Big Bang. Este último caso ofrecería los datos únicos sobre la formación u Origen del Universo en el periodo anterior a la edad oscura del Universo en la que el Universo era opaco a la radiación electromagnética.

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Cualquier objeto con masa y aceleración produce ondas gravitatorias, dependerá de la precisión del equipo para poder cuantificarlas, actualmente solo hemos logrado captarlas con sucesos de una muy elevada energía.

Experimentos

Los experimentos de las Ondas Gravitacionales con los interferómetros y con masas resonantes pueden llegar buscar fondos estocásticos de las ondas gravitacionales de origen cosmológico. Los científicos afirmaron que revisaron los aspectos experimentales y teóricos de la búsqueda de estos fondos. Proporcionaron una derivación pedagógica de las diversas relaciones que caracterizan la respuesta de un detector a un fondo estocástico.

Discutieron las sensibilidades de los interferómetros grandes bajo construcciones ( LIGO, VIRGO, GEO600, TAMA300, AIGO ) o las planificadas ( Avdanced LIGO, LISA ) y de las barras resonantes actualmente en operación, y dieron las sensibilidades para varias correlaciones de dos detectores. Examinamos los límites existentes en la densidad de energía en ondas gravitacionales de la nucleosíntesis, COBE y púlsares, y sus efectos sobre las predicciones teóricas.

Discutieron los principios teóricos generales para las estimaciones del orden de magnitud de los mecanismos de producción cosmológica, y luego pasamos a predicciones teóricas específicas de inflación, cosmología de cuerdas, transiciones de fase, cadenas cósmicas y otros mecanismos. Finalmente nos comparamos con los fondos estocásticos de origen astrofísico.

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Las Ondas Gravitacionales y Dios

Qué universo tan extraño y fantástico que habitamos, donde hasta el espacio y el tiempo pueden ” ondularse ” como la superficie de un lago, Qué poderosas son las fuerzas que deben estar en juego en este universo para causar tales eventos violentos y que alteran el espacio! Y qué visión nos dan sobre la naturaleza, el poder y la bondad del Gran Creador de todas las cosas. Palabras dichas por el famoso científico Albert Einstein.

Por ejemplo, cómo fue Albert Einstein, en el transcurso de la meditación y la realización de ” experimentos de pensamiento “, el cual fue capaz de deducir la existencia de tales ondas en primer lugar, las ondas causadas por los objetos de miles de millones y miles de km de distancia, que nunca había visto ni alguna vez se vea en su vida.

Él podría hacerlo porque nuestro universo es comprensible. Una creación legal y ordenada! Dios ha ” designado las ordenanzas del cielo y de la tierra ” Jeremías 33:25, y la creación desde un extremo del cielo hasta el otro demuestra que ha sido diseñada por el Legislador Soberano.

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Que un mero ser humano en el planeta Tierra pueda contemplar los vastos alcances del cosmos, y que mediante la meditación y el cálculo descubran principios que no se confirmarían hasta 100 años después, es un tributo al magnífico y ordenado diseño de Dios en la base de la realidad.

El descubrimiento de estas olas también resalta cuán poderoso es nuestro Creador. Considere que la prueba del infame dispositivo termonuclear ” Tzar Bomba ” en octubre del año 1961 fue la explosión más grande hecha por el hombre en la historia.

Sin embargo, incluso el terrible poder de Tzar Bomba es menor que el simple juguete de un bebé en comparación con el evento que midieron los científicos de LIGO. Los científicos estiman que en el momento en que estos agujeros negros colisionaron, las Ondas Gravitacionales que emitieron contenían el equivalente a ” tomar 3 soles y aniquilarlos “.

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