138.-Ondas

Me arruga el espacio

El 14 de septiembre de 2015, dos detectores gemelos del Observatorio por Interferometría Láser de Ondas Gravitacionales (LIGO, por sus siglas en inglés) en EE.UU, separados por 3.000 km entre sí, fueron capaces de medir las pequeñísimas deformaciones generadas por ondas gravitacionales procedentes de la fusión de dos agujeros negros de unas 30 masas solares cada uno y a unos 1.300 millones de años luz de La Tierra. El 11 de febrero de 2016, el mundo se paró a ver la conferencia de prensa que nos contaba el final de una historia de 100 años, y el principio de una nueva etapa de la astrofísica.

Esta historia arranca en 1916, cuando Einstein publicó una ecuación que describe el Universo a gran escala. En su Relatividad General, imaginó que el espacio y el tiempo están tan relacionados que no tiene sentido hablar del uno o del otro por separado, por eso los físicos juntamos las dos palabras y hablamos siempre del ‘espacio-tiempo’. El ‘espacio-tiempo’ tiene 4 dimensiones: las 3 del espacio y la del tiempo. Lo más importante (y probablemente lo más loco y antiintuitivo) es que este espacio-tiempo no es siempre plano. La masa de los objetos lo deforma, y esa deformación es precisamente lo que conocemos como la fuerza de gravedad. Esa ecuación, además, predecía que debería existir algo llamado ‘ondas gravitacionales’.

O sea que el septiembre pasado dos detectores absolutamente independientes identificaron algo que Einstein había propuesto cien años antes. Con su imaginación, lápiz y papel. Cien años antes. Cien.

Entonces, resulta que hay fenómenos en el Universo que también deforman el espacio-tiempo como lo hace la presencia de objetos con masa, pero de tal manera que crean ondas gravitacionales. Objetos masivos y muy acelerados (como la fusión de dos agujeros negros, dos estrellas colapsando o los hipopótamos de Fantasía) cambian la curvatura de ese espacio-tiempo y producen estas ondas gravitacionales. Incluso el Big Bang mismo debió haber generado ondas gravitacionales antes de que fueran cool.

La onda gravitacional se propaga en el espacio-tiempo y podemos pensarla como una ondulación concéntrica que encoge y estira la ‘tela’ del espacio-tiempo mientras viaja a la velocidad de la luz, cosa que suena inentendible hasta que te detenés a pensar un poquito en eso. El espacio tiempo no sólo está deformado por lo que contiene, sino que la información sobre lo que pasa en un punto tarda un tiempo NO INSTANTÁNEO en llegar hasta los demás puntos. Igual que un notero desde Mar del Tuyú se comunica con el estudio con delay, el Universo mismo tiene que esperar para saber lo que sucede en otro lugar, sujeto siempre a esa one limit to rule them all: la velocidad de la luz.
A algunas personas les conmueve la muerte de Mufasa. A mí me conmueve pensar en un espacio tiempo donde todo se comunica con todo y encima lo hace con ritmo. Eso, y la muerte de Mufasa.

Como es muy difícil abstraer un Universo en 4 dimensiones, supongamos por un momento que fueran sólo dos, como la superficie de un estanque lleno de agua. Las ondas gravitacionales en este ejemplo no serían más que olas en superficie del estanque de nuestro Universo 2-D. Todos los objetos con masa (todos, todos: un grano de arroz, un edificio, una suricata, Júpiter o una estrella de neutrones) perturbamos de alguna manera esa superficie, deformándola. Pero algunos eventos no sólo hacen esto, sino que encima generan ondas que se transmiten por la superficie. Ahora, la onda depende de qué tanto se perturbe la superficie de nuestro universo 2D y, para poder observarlas, necesitamos primero eventos que generen ondas grandes (o por lo menos ondas que podamos medir, con lo cual ‘grande’ está definido de acuerdo a nuestras limitaciones). Entonces, ¿qué buscamos en nuestra superficie?, ¿algo sutil? No: buscamos un adoquinazo. Una piedra enorme cayendo al agua en el estanque sería un evento generador que formaría una onda de agua que se propagaría por la superficie hasta el borde, o hasta donde se encuentra esta boya que denominamos Tierra, o sea, nosotros con nuestros aparatitos. En este caso, el adoquinazo en el estanque que logramos medir es nada menos que dos agujeros negros bailando es espiral, cayendo uno contra el otro hasta fusionarse.

En nuestra vida cotidiana estamos rodeados de todo tipo de ondas como el sonido (una onda de aire), o las ondas electromagnéticas como la luz, las ondas de radio, los rayos X o rayos gamma, entre otras. Las gravitacionales no son ondas electromagnéticas, pero se propagan a la velocidad de la luz (al igual que las ondas electromagnéticas).

La pregunta es si podemos ‘ver’ estas ondas gravitacionales. Y la respuesta es que no, como tampoco podemos ver la luz infrarroja o las ondas de radio, pero sí podemos detectarlas. Cuando se producen eventos tan violentos en el Universo, hacen que el tejido del espacio vibre como el parche de un tambor. Las ondulaciones del espacio-tiempo emanan en todas direcciones, viajando a la velocidad de la luz y distorsionando físicamente todo a su paso. Pero cuanto más se alejan estas ondas de su origen, más pequeñas se vuelven. Van perdiendo su amplitud. Una distorsión inicial en el espacio de varios kilómetros causada por ellas queda reducida a sólo una fracción del tamaño de un protón cuando llega a La Tierra (unos 10-18 metros).

PARÁ PARÁ PARÁ ¿Vos me estás diciendo que, si una onda gravitacional pasara sobre nosotros, deformaría el espacio a nuestro alrededor y a nosotros también? Así es, pero son tan pequeñas que cuando nos llegan no percibimos ningún efecto.

Para detectar las ondas gravitaciones, los científicos usaron el ahora famoso LIGO, un aparato que está fundamentalmente constituido por dos brazos que miden exactamente 4 kilómetros de longitud cada uno. Muy, muy, muy exactamente 4 kilómetros. Los 4 kilómetros más 4 kilómetros que viste en tu vida. Cuando llega una onda gravitacional, el espacio se deforma de manera que un brazo se hace más largo y otro brazo se hace más corto, y esto no es metafórico, es literal. La onda gravitacional modifica el espacio tiempo, lo que hace que los brazos sean de distinto tamaño mientras la onda los atraviesa, pero esta diferencia es extremadamente pequeña. Dentro de cada uno de estos brazos hay unos instrumentos llamados interferómetros, que hacen rebotar un láser entre espejos situados en los extremos de estos gigantescos tubos. Como la luz rebota y vuelve sobre sí misma, genera una interferencia sobre sí misma. La forma en la que interfiere depende directamente del largo del tubo. Entonces, si por un instante el tubo fuese de distinta longitud, la interferencia sería diferente y podríamos verla, confirmando así que el tubo cambió su longitud. De esta forma, cuando una onda gravitacional pasa por estos instrumentos, extiende y comprime la longitud de los brazos junto con el resto del espacio. La luz de uno de los haces recorre una distancia un poquitito más larga que la del otro en una pequeñísima fracción del ancho del núcleo de un átomo. Y esto, increíblemente, lo podemos medir bueno, no tan increíblemente sino con un aparato que tardó 25 años en desarrollarse. No fue magia–. Los dos brazos funcionan entonces como ‘reglas de luz’ dispuestas en ángulo recto.

 

 

Llegamos entonces a lo que se anunció hace unos días: la detección de ondas gravitacionales producidas por el choque y fusión de dos agujeros negros ocurrido hace 1.300 millones de años y el ruido gravitacional que llegó hasta acá recién el septiembre pasado. Un evento estelar que requirió más paciencia que pedir empanadas en un día de lluvia.

Esta detección es importantísima porque nos da un sentido nuevo para observar el Universo. Hasta este momento sólo lo veíamos a través de la ‘vista’, o sea, de las ondas de radiación electromagnética. Ahora es como si además nos hubiesen dado un oído. Ahora podemos observar el Universo a través de unas ondas distintas: las gravitacionales.

Desarrollamos un nuevo sentido que nos permite detectar, ubicar y estudiar sistemas y eventos que aparecen en nuestro Universo. Estamos cambiándole los pañales a la era de la Astronomía Gravitacional, y esto implica para todos los que disfrutamos obsesivamente de tratar de descubrir un poquito más cómo funciona el Universo muchas ganas de salir a la calle a gritar ¡EUREKA! O, más probablemente, ¡AGUANTE TODO!

 

https://www.ligo.caltech.edu/




Hay 57 comentarios

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  1. Melina

    Tremendo, me encanta como esta gente tiene la capacidad de explicar cosas tan complejas de manera tan simple.. me estaria haciendo falta un profesor de este tipo para rendir fisica 4 . Gracias totales, muy buen articulo.

  2. Hechicero desempleado

    Pienso en la cantidad de investigaciones que se van a hacer ahora y me excito. Que ganas de formar parte… Buena nota!

  3. Robert

    Imaginar todo esto es tan placentero, lo encuentro una experiencia agradable el ver con la mente las ondas que explican el por que de tantas cosas. Este artículo esta tan bien escrito que me lleva por ese viaje sin necesidad de alucinógenos :E

  4. nmarot

    Eeeh Galileeeooo, publica el telescopio en mercadolibre que ya no te sirve maaas locooo!!

    Excelente nota Fernando, muy clara para la gente como uno, que no caza un fulbo de nada pero aun así se quiere jactar de hacerlo. Gracias por compartirla!

  5. Aries

    Que tremendo.

    Admito que cuando salio la noticia de las ondas gravitacionales casi que me negué a leer ninguna nota al respecto porque sentía que no iba a entender nada, pero acá esta muy bien explicado para nosotros los analfabetas de la ciencia.

    Espectacular la nota. Y tremendo, pero TREMENDO, lo de las ondas. Que todo cambie literalmente de tamaño y nosotros ni nos enteremos… es que no me entra en la cabeza.

    Tremendo.

  6. Marcelo

    Muy claro, ahora la pregunta es, como se sabe que esas ondas se produjeron hace 1.300 millones de años luz de La Tierra por el choque de 2 agujeros negros, y no por otra cosa?

    • Harry

      Viste esos programas de internet que te reconocen canciones? Es, según leí una nota no sé (más bien, no recuerdo) donde, más o menos lo mismo. Como que los locos tienen un pokedex de ondas gravitacionales y pueden saber si fue la colisión de dos agujeros negros o un charmander.

  7. Francisco

    Muy buena nota gatos :)

    Yo tengo una duda existencial… ¿Como están tan seguros que la detección viene de esos dos agujeros negros? No parece un dispositivo que pueda “apuntarse”, más allá de que matematicamente lo que detectas coincida con lo que predecís ¿Como sabes que no viene de otra fuente? No encontre nada por ningun lado :(

    La gente de LISA se quiere matar :P

    • Fernando Lombardo

      La fuente u origen de las ondas se chequea resolviendo con computadoras gigantes las ecs de Einstein de la Relatividad General. Lo que se observo es exactamente lo que sale de las ecuaciones cuando tenes ese tipo de evento. Otro evento produciria otro tipo de señal diferente.

    • Daniel

      No hace falta “apuntar” el dispositivo ya que lo hace solo y para todos lados (en realidad, tiene un ángulo ciego, pero por suerte este evento no vino de allí). El patrón de deformación de las dos L separadas a 3000 kilómetros y el hecho de que se haya activado primero el de Louisiana (también la demora entre ambos: fue de 7 milisegundos aunque los dos detectores están a 10 milisegundos-luz, esto quiere decir que la onda cayó en forma oblicua a la línea que une a las dos ciudades), todo eso permite saber de qué región del cielo llegó la señal.

    • Sergio R

      Me pasó lo mismo. Pero vi en vivo el anuncio y ahí mismo mostraron un gráfico de la señal calculada a partir de las ecuaciones, superpuesta con la detectada. En términos físicos está tan calcada que no deja lugar a dudas. Buscala que en google está la misma imagen.

  8. andrescass

    Excelente nota explicando simple y conciso un concepto tan complejo. El tema es apasionante. Y no deja de sorprenderme como el bueno de Albert pudo hacer tanto con su imaginación, lapiz y papel (Albert y mucha otra gente de la época, pero Albert).

    Se demuestra una vez más que muchas veces no hay temas difíciles de entender si hay alguien que te los explica así de bien

  9. Agustin

    Excelente explicacion! La duda que tengo es como saben que el fenomeno que lo produce es la union de dos agujeros negros de exactamente 30 soles de masa y que estan exactamente a 1300 años luz?

  10. Javier

    Que tan cercano-masivo-acelerado debería ser un evento para que pudieramos apreciar las ondas gravitacionales sin instrumentos? Ello implicaría la muerte de todos nosotros?
    Gracias por las respuestas, muy bueno el programa.

    • Ceci

      Tengo una pregunta relacionada con lo que preguntaron antes que tal vez da más para un artículo entero que para otra cosa.
      En base a todos los cálculos y mediciones que se tienen se deduce que tiene que haber un agujero negro (en este caso, dos, bailando en espiral <3 ), porque si no las cuentas darían otra cosa?
      Pero entonces, un agujero negro, es más cercano a una suposición matemática que a algo físico, medible de la forma que conocemos hasta ahora? El efecto "real" tipo "2D" de un agujero negro, ha sido observado? Se puede observar? Como?
      Tal vez la pregunta base sería "que cuernos es un agujero negro?"
      Y no hablo del método de transporte interdimensional Startrekkiano, que claramente es supercool (y muy útil para tener relaciones a distancia), sino de qué es pero en ESTE universo, donde las mujeres con aritos Bayoran no tenemos esperanza de convertirnos en mayores del Enterprise (o tener relaciones que no sean a distancia…)

  11. marie

    me fascina todo esto, me emociona, hasta me pone la piel de gallina. ojala tuviera la cabeza para estudiar fisica, pero mi vocación es letras, otra vez será.

  12. Natalia

    Muy buena nota!! todo muy conciso y claro para los que no logramos entender cuando un físico se apasiona y te habla como si entendieras su idioma, o peor aún, cuando quiere explicártelo en tu idioma pero no alcanza (me lo explicaron con la onda del lago, pero me faltó toda la parte del cómo midieron!)

    Geniales como siempre!

  13. Alejandro

    Muy buena nota! Preguntas (vienen de uno de sociales que no caza un fulbo): si lo que se miden son deformaciones en el espacio-tiempo, ¿no se puede tratar de medirlas en el tiempo? ¿Las ondas gravitacionales no provocarían también que un segundo fuera apeniiiiitas más corto/largo? ¿Hay manera de medir eso? En este sentido, no entiendo cómo podría afectar el experimento del LIGO con sus 4 kms exactos, ya que no sólo ellos habrían sido modificados durante el pasaje de las ondas sino también el tiempo. ¿Cambia algo en la medición de los 300.000 kms/seg de la velocidad de la luz si no sólo los kms se ven deformados sino también el seg? Jaja
    ¡Gracias, gatos! Los banco mucho
    ¡Abrazos! Alejandro

  14. gonzalo

    Con razón! Abri mi placard la semana pasada y todas mis camisas arrugada.
    Malditas ondas gravitacionales! Ahora tengo que agarrar la plancha.

  15. Cecilia

    Excelente artículo! Imposible explicarlo de una mejor manera, tan clara y accesible, pero a la vez completa.
    Es un descubrimiento increíble que te llena de orgullo, sobre todo por el avance de la ciencia y de la gente tan grosa que existe en nuestro país dedicándose a ella y a hacernosla un poco más accesible para todos.
    Mis felicitaciones para el Dr. Lombardo. Tuve el orgullo de tener de profesor a su hermano mayor en biología molecular.
    Uno más groso que el otro! GENIOS!

  16. Jeremias Menichelli

    Me acuerdo haber visto el anuncio online, como si fuera semis de un mundial, así de expectante. Que copado que se hicieron una nota, en español y bien al raz para que la podemos entender todos. Lo dije mil veces, pero gracias!

  17. juan

    Genial el articulo… lo que me interesaria saber es en qué se basó Alberto para pensar en las ondas?? Solo imaginación e ingenio? drogas? Basó su teoría en algo especifico q vió o fue un derivado de cálculos que realizó ? Entiendo que hace 100 años disponían de muchísima menos información del universo de la que disponemos hoy dia, entonces eso me deja pensando en que estaba pensando este genio cuando se le ocurrió eso

  18. Darío Steimberg

    Gran artículo, como siempre. Gracias.
    Tengo una pregunta. Hasta donde yo sé, había una disputa crucial entre la teoría de la relatividad y la cuántica: para la relatividad, la gravedad es una deformación del espacio tiempo; pero la cuántica entendía la gravedad como una fuerza (por eso buscaban “gravitones” y la bendita “unificación de las cuatro fuerzas”). Ahora bien: ¿esta confirmación de las ondas electromagnéticas tira al tacho la interpretación cuántica? Quiero decir: ¿esto implica confirmar que no hay “fuerza gravitatoria” y, por tanto, que no hay gravitones? ¿Cómo entiende la cuántica la deformación del espacio tiempo? ¿No afecta tremendamente las interpretaciones cuánticas?

  19. José

    Una pregunta. Teoricamente suponen que los brazos se agrandaron y por eso las ondas de los haces de luz ya no son mas destructivas… pero ¿como confirman que no es una onda electromagnetica la que hizo eso?

    • fernando lombardo

      No se supone que la distancia de los brazos del interferometro cambio. se MIDIO eso. Al cambiar la distancia cambia como es la superposicion de los laseres y con eso medis la distancia real entre los espejos en cada brazo. NO es una onda electromagnetica porque ese tipo de ondas no hace cambiar la distancia “espacial” de los espejos. No interactua con el espacio.

  20. Santiago

    Respecto a esto: “En su Relatividad General, [Einstein] imaginó que el espacio y el tiempo están tan relacionados que no tiene sentido hablar del uno o del otro por separado, por eso los físicos juntamos las dos palabras y hablamos siempre del ‘espacio-tiempo’. “, decir que Einstein “se lo imaginó”, me suena a “se le ocurrió a él”, mientras que -hasta donde tengo entendido- directamente tomó ese concepto de Minkowski, quien lo introdujo unos años antes (*). Está bien que Albertito fue un crack, pero también (parafraseando a Newton) se paró sobre hombros de gigantes; no lo olvidemos ;)

    (*) “The views of space and time which I wish to lay before you have sprung from the soil of experimental physics, and therein lies their strength. They are radical. Henceforth, space by itself, and time by itself, are doomed to fade away into mere shadows, and only a kind of union of the two will preserve an independent reality.” (https://en.wikiquote.org/wiki/Hermann_Minkowski)

  21. Gabriel Luraschi

    Por la claridad del artículo, no veo la hora de que publiques otro explicando como se interpreta la detección, cómo calculan la distancia y magnitud del evento, etc.

    Felicitaciones !

  22. Gisela K.

    Fernando: Muchas gracias por la claridad de tus explicaciones. Veo Científicos Industria Argentina y allí tus notas. Desde mi ámbito de estudio/trabajo, siempre me quedo pensando en las posibles relaciones con esta otra concepción de espacio tiempo, que es lo que me genera más curiosidad para conocer.
    Al Gato y la Caja, mi agradecimiento también!
    Afectuoso saludo, Gisela K.

  23. Nicolás

    Por qué fue necesario encontrar un sistema de dos agujeros negros y no se pudieron detectar con un agujero negro solo? Otras dudas: las ondas son perpendiculares a la órbita del objeto, no? En caso de ser verdad esto último, entonces todo objeto en el universo tiene una órbita y a su vez ese sistema que los contiene tiene una órbita alrededor de otro sistema mayor y a su vez ese sistema tiene otra órbita y todo converge a un centro del universo?

  24. Euge

    Muy buena la nota! :)
    Una pregunta (capaz medio boluda pero esto no es lo mio :D), como sabían en que momento hacer la medición? o se hacía rebotar el láser constantemente?

  25. Marcos

    “los hipopótamos de Fantasía” en un ballet vistiendo “tutú”. También tienen casi 100 años, o al menos 75 (13 de noviembre de 1940)

  26. Ceci

    Tengo una pregunta relacionada con lo que preguntaron antes que tal vez da más para un artículo entero que para otra cosa.
    En base a todos los cálculos y mediciones que se tienen se deduce que tiene que haber un agujero negro (en este caso, dos, bailando en espiral <3 ), porque si no las cuentas darían otra cosa?
    Pero entonces, un agujero negro, es más cercano a una suposición matemática que a algo físico, medible de la forma que conocemos hasta ahora? El efecto "real" tipo "2D" de un agujero negro, ha sido observado? Se puede observar? Como?
    Tal vez la pregunta base sería "que cuernos es un agujero negro?"
    Y no hablo del método de transporte interdimensional Startrekkiano, que claramente es supercool (y muy útil para tener relaciones a distancia), sino de qué es pero en ESTE universo, donde las mujeres con aritos Bayoran no tenemos esperanza de convertirnos en mayores del Enterprise (o tener relaciones que no sean a distancia…)

    PD: puede que este comentario este duplicado…permiso para borrarlo concedido.

  27. Ana

    Dr. Lombardo, gracias por la claridad y lo sencillo que hizo todos los conceptos involucrados.
    Como muchos de los que me anteceden, querría saber muchas otras cosas, que seguramente, darían para otra nueva nota. La espero ansiosamente.
    Felicitaciones, Gatos, por ocuparse de estos temas.

  28. Jorge

    Lei la nota hace un par de dias y como todo lo que anda por esos pagos cientificos es muy rompecoco y te queda merodeando por la capocha.
    Me acaba de surgir la duda de a que se debe que esos brazos midan 4 kilometros. Alguna explicacion debe tener porque lo podes hacer con algo de 100 metros o menos tranquilamente, y si gastaron bocha de guita mas para construir eso por algo debe ser.
    Otra duda que tengo es si lo de la existencia de los agujeros negros esta hiper re contra mega confirmado, tengo un dudosos recuerdo de algun comentario de un gran cientifico dando una charla de agujeros negros en el observatorio de La Plata diciendo que no esta TAAAAN confirmada la existencia de los mismos. De todas maneras puede que haya flashado bondi y eso nunca lo haya dicho o que sea sobre otro objeto/fenomeno cheto.

    • Andrés MC

      Supongo que si los hubieran hecho de 100 metros, la variación del tamaño de los brazos habría sido tan pequeña no se habría podido medir.

  29. Maxi

    El video de los dos agujeros negros bailando me dio miedo. Es loquísimo pensar que eso pasa en un período de tiempo inimaginable, en una distancia inabarcable.

  30. Germán

    Genialmente explicado y muy claro, mis agradecimientos por la adaptación al entendimiento de la cabeza de un futuro ingeniero, pero como futuro ingeniero me surgen dudas…

    Esta des-coordinación de los sensores de luz de los aparatos de 4 km. separados por 3000 km, no pudo haber sido causado por algún temblor/terremoto/maremoto/experimento nuclear, etc? o esto no sería un factor de cambio para los sensores de luz? (no tengo información sobre como es el aparato de detección, pero mi mente me pide sacarme estas dudas.

    Por otro lado…

    Necesitaría una explicación de la frase “que el espacio y el tiempo están tan relacionados que no tiene sentido hablar del uno o del otro por separado”, no tengo conocimiento de la estrecha relación y me gustaría mucho entenderla.

    Muchas gracias


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