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Detectan ondas gravitacionales 100 años después de la predicción de Einstein

LIGO abre en una nueva ventana al universo con la observación de las ondas gravitacionales de dos agujeros negros en colisión; Investigadores de Universidad de Michigan contribuyen al descubrimiento

ANN ARBOR– Por primera vez, científicos han observado en el tejido del espacio-tiempo ondas gravitacionales llegando a la tierra desde un evento catastrófico en el universo distante.

Keith Riles, profesor de física en la escuela de Literatura, Ciencias y Artes de U-M, explica cómo LIGO descubrió las ondas gravitacionales.

El descubrimiento confirma una importante predicción de la teoría de la relatividad de Albert Einstein de 1915 y abre una nueva ventana sin precedentes al cosmos.

Las ondas gravitacionales transportan información acerca de sus dramáticos orígenes y acerca de la naturaleza de la gravedad que no se pueden obtener de otra forma. Los físicos han llegado a la conclusión de que se las ondas gravitacionales detectadas se produjeron durante la última fracción de segundo de la fusión de dos agujeros negros para producir un único agujero negro rotante más masivo. Esta colisión de dos agujeros negros se había predicho pero nunca observado.

Las ondas gravitacionales se detectaron el 14 de septiembre del 2015, a las 5:51 a.m. hora del este (09:51 GMT) por los observatorios mellizos  Observatorio de Interferómetro Láser Avanzado de Ondas Gravitacionales (LIGO, por sus siglas en inglés) que se encuentran en Livingston, La., y Hanford, Wash.

Los observatorios LIGO son financiados por la Fundación Nacional de Ciencia (NSF) y fueron concebidos, construidos y son operados por Caltech y MIT. El descubrimiento, aceptado para su publicación en la revista Physical Review Letters, fue hecho por la Colaboración Científica LIGO (que incluye la colaboración GEO600 Collaboration y el Consorcio Australiano para la Astronomía Gravitacional Interferométrica) y la Colaboración Virgo con datos de los dos detectores LIGO.

Investigadores de Universidad de Michigan han estado involucrados en la colaboración desde el principio.

“Esta primera observación de ondas gravitatorias abre un nuevo campo de la astronomía, una en la que ” escuchamos” las vibraciones del espacio mismo usando instrumentos de sensibilidad sin precedentes,” dijo Keith Riles, profesor de física en la escuela de Literatura, Ciencias y Artes de U-M.

Riles es un miembro del comité ejecutivo de la colaboración LIGO. La colaboración incluye más de 1.000 científicos de universidades de todo los EE.UU. y otros 14 países. Investigadores de la U-M se unieron a la búsqueda de ondas gravitacionales en 1997 como miembros fundadores de la colaboración.

Cada observatorio LIGO consta de unas cinco millas (8 kms.) de tubos  de vacío dispuestos en forma de L. Los brazos de la L son cada uno de unas 2,5 millas de largo. Interferómetros miden patrones de interferencia entre dos fuentes de luz. En cada detector LIGO, un rayo láser se divide en dos, y cada rama baja por uno de los brazos y se refleja de nuevo en un espejo al final. El sistema está configurado de manera que si si los dos rayos regresan al comienzo juntos, se cancelan entre sí, por lo que no hay señal. Pero si un haz regresa después del otro, hay una señal como resultado.

¿Por qué un haz volvería más tarde?

Las ondas gravitacionales -y todo lo que contienen- se extienden espacio-tiempo en un patrón característico. Pueden estirar un brazo del LIGO, mientras acortan el otro. Eso es lo que ocurrió en el otoño. En un brazo en ambos observatorios, los científicos midieron un cambio de menos de una millonésima de una mil millonésima de pulgada.

Richard Gustafson, científico principal de investigación de física en la U-M, está estacionado en el Observatorio LIGO de Hanford en Washington. Él trabaja con otros para mejorar la sensibilidad a los interferómetros mediante la eliminación de fuentes externas de ruido ambiental e instrumental.

Gustafson llegó al trabajo por la mañana, poco después de que un programa de detección en línea había informado la señal. Eso llevó a un congelamiento inmediato de las operaciones y una evaluación exhaustiva de los estados de los interferómetros, tanto en Hanford y como en Livingston.

“Estaba planeando hacer algunas mediciones en el laboratorio de la óptica ese día, pero ese plan se fue por la ventana”, dijo Gustafson, riéndose.

El equipo se sintió “gratamente sorprendido” de observar tales agujeros negros masivos tan pronto en la serie de datos, sobre todo a la distancia relativamente cerca de unos mil millones de años luz de distancia. Ellos esperaban que este tipo de objetos serían más raros y aún más distantes.

Antes de que el equipo pudiera celebrar, tenían que hacer algún tipo de verificación. Riles también sirve en el Comité de Detección de LIGO, un equipo de científicos experimentados que pasó más de cuatro meses escrutando el descubrimiento para confirmar que la señal provenía del cielo y no una fuente con destino en la Tierra o de una falla instrumental.

“Nuestra primera prioridad era asegurarnos de que no estábamos engañándonos a nosotros mismos”, dijo. “Nos fijamos en cada posible explicación no astrofísica y sistemáticamente las descartamos. Sólo entonces dirigimos nuestra atención a las implicaciones astrofísicas.”

Una importante mejora del LIGO en los últimos cinco años redujeron drásticamente el ruido a bajas frecuencias, lo que fue crítico para la detección de estas señales de agujeros negros masivos, dijo Riles. Se cree que esta primera señal es sólo el principio.

“A medida de que la sensibilidad de LIGO mejora y recoge más datos, en los próximos años, deberíamos detectar las fusiones de sistemas de agujeros negro binarios de forma rutinaria, dándonos un sondeo único de no sólo los más exóticos objetos en el Universo, sino también poniendo a prueba nuestra comprensión fundamental de la graveda.”

 

Además de ayudar a mejorar la ejecución instrumental LIGO, el grupo de Michigan se centra en la búsqueda de datos de señales aún más diminutas que la detectada el 14 de septiembre  pero más perdurable. Buscan señales de onda continua que se encuentran entre 1.000 y 10.000 veces más débiles. Riles co-dirige un grupo de unos 40 físicos y astrónomos de los EE.UU., Europa, Australia y Asia que buscan estas ondas, que podría ser emitida por las estrellas giratorias de neutrones en nuestra galaxia.

Riles hablará en los próximos sábados por la mañana en Saturday Morning Physics, un programa que provee conferencias libre de costo a los participantes. El 13 de febrero, explicará qué son las ondas gravitacionales y de dónde vienen. El 20 de febrero, va a describir cómo estas ondas pueden ser detectadas y lo que la señal del 14 de septiembre nos habla de las leyes fundamentales del universo y los agujeros negros. Estas conferencias son gratuitas a las 10:30 am en 170 Weiser Hall el campus central de la U-M.

La investigación LIGO se lleva a cabo por la Colaboración Científica LIGO (LSC), un grupo de más de 1.000 científicos de universidades de todo Estados Unidos y en otros 14 países. Más de 90 universidades e institutos de investigación de la LSC desarrollan la tecnología de detección y análisis de datos; aproximadamente 250 estudiantes son miembros activos fuertes de la colaboración. La red de detectores LSC incluye los interferómetros de LIGO y el detector GEO600. El equipo de GEO incluye científicos del Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute (AEI), Leibniz Universität Hannover, junto con organizaciones como la Universidad de Glasgow, la Universidad de Cardiff, y otras universidades en el Reino Unido, financiado por Science and Technology Facilities Council (STFC). Recursos informáticos significativos han sido aportados por el conjunto AEI Atlas, el Laboratorio LIGO, Syracuse University y la Universidad de Wisconsin Milwaukee.

LIGO fue propuesto originalmente como un medio para detectar estas ondas gravitacionales en la década de los 80 por Rainer Weiss, profesor emérito de física del MIT; Kip Thorne, profesor emérito Richard P. Feynman de física teórica de Caltech, y Ronald Drever, profesor emérito de física de Caltech.

La investigación Virgo es llevada a cabo por la Virgo Scientific Collaboration, un grupo de más de 250 físicos e ingenieros pertenecientes a 18 laboratorios europeos diferentes, 6 del Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS) de Francia, 8 de Istituto Nazionale di Física Nuclear (INFN) en Italia, Nikhef en los Países Bajos, el Instituto de Wigner en Hungría, el grupo POLGRAW en Polonia y el Observatorio Europeo de Gravedad (EGO), el laboratorio de alojamiento del interferómetro Virgo.

El descubrimiento fue posible gracias a las capacidades mejoradas de LIGO Avanzado, una importante actualización que aumenta la sensibilidad de los instrumentos en comparación con la primera generación de detectores LIGO, lo que permite un gran aumento en el volumen del universo investigado y el descubrimiento de las ondas gravitacionales durante su primer turno de observación. La Fundación Nacional de Ciencia de Estados Unidos lidera el apoyo financiero para LIGO. Organizaciones de financiación en Alemania (Max Planck Society), el Reino Unido (STFC) y Australia (Australian Research Council) también han hecho compromisos significativos al proyecto. Varias de las tecnologías clave que hicieron LIGO Avanzado mucho más sensible han sido desarrollados y probados por la colaboración  German UK GEO.

Otros miembros del grupo de Michigan incluyen estudiantes graduados Ansel Neunzert y Orion Sauter, asistente de investigación Weigang Liu, y estudiantes Eilam Morag, Pranav Rao, y Stephen Trembath-Reichert. Ocho alumnos también participan.

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