Hace casi 100 años, Albert Einstein predijo la existencia de ondas gravitacionales, ondas en la estructura del espacio-tiempo que se desencadenan por cataclismos cósmicos extremadamente violentos en el universo primitivo. Con su conocimiento del universo y la tecnologíadisponible en 1916, Einstein asumió que tales ondas serían "extremadamente pequeñas" y casi imposibles de detectar. Los descubrimientos astronómicos y los avances tecnológicos durante el siglo pasado han cambiado esas perspectivas.
Ahora, por primera vez, los científicos de LIGO Scientific Collaboration, con un papel destacado desempeñado por investigadores del MIT y Caltech, han observado directamente las ondas de las ondas gravitacionales en un instrumento en la Tierra. Al hacerlo, lo han vuelto a hacerconfirmó dramáticamente la teoría de la relatividad general de Einstein y abrió una nueva forma de ver el universo.
Pero hay más: los científicos también han decodificado la señal de onda gravitacional y han determinado su fuente. Según sus cálculos, la onda gravitacional es el producto de una colisión entre dos agujeros negros masivos, a 1.300 millones de años luz de distancia, un extremo notableevento que no se ha observado hasta ahora
Los investigadores detectaron la señal con el Observatorio de ondas gravitacionales del interferómetro láser LIGO: detectores gemelos cuidadosamente construidos para detectar vibraciones increíblemente pequeñas al pasar ondas gravitacionales. Una vez que los investigadores obtuvieron una señal gravitacional, la convirtieron en ondas de audio y escucharonal sonido de dos agujeros negros en espiral juntos, luego fusionándose en un solo agujero negro más grande.
"En realidad los estamos escuchando golpear en la noche", dice Matthew Evans, profesor asistente de física en el MIT. "Estamos recibiendo una señal que llega a la Tierra, y podemos ponerla en un altavoz, ypodemos escuchar estos agujeros negros decir 'Whoop'. Hay una conexión muy visceral con esta observación. Realmente estás escuchando estas cosas que antes eran de alguna manera fantásticas ".
Al analizar aún más la señal gravitacional, el equipo pudo rastrear los milisegundos finales antes de que los agujeros negros colisionaran. Determinaron que los agujeros negros, 30 veces más grandes que nuestro sol, se rodeaban entre sí a una velocidad cercana a la de la luz antesfusionándose en una colisión y emitiendo una enorme cantidad de energía equivalente a aproximadamente tres masas solares, según la ecuación de Einstein E = mc 2 - en forma de ondas gravitacionales
"La mayor parte de esa energía se libera en solo unas décimas de segundo", dice Peter Fritschel, científico jefe de detectores de LIGO y científico investigador principal del Instituto Kavli de Astrofísica e Investigación Espacial del MIT. "Por un período muy corto de tiempo"., el poder real en las ondas gravitacionales fue mayor que toda la luz en el universo visible "
Estas ondas luego se extendieron por el universo, deformando efectivamente la estructura del espacio-tiempo, antes de pasar a través de la Tierra más de mil millones de años después como rastros débiles de sus orígenes violentos anteriores.
"Es una señal espectacular", dice Rainer Weiss, profesor emérito de física en el MIT. "Es una señal que muchos de nosotros hemos querido observar desde el momento en que se propuso LIGO. Muestra la dinámica de los objetos en los campos gravitacionales más fuertesimaginable, un dominio donde la gravedad de Newton no funciona en absoluto, y uno necesita las ecuaciones de campo de Einstein completamente no lineales para explicar los fenómenos. El triunfo es que la forma de onda que medimos está muy bien representada por las soluciones de estas ecuaciones. Einsteintiene razón en un régimen donde su teoría nunca ha sido probada antes "
Los nuevos resultados se publican hoy en la revista Cartas de revisión física.
"Magníficamente alineado"
La primera evidencia de ondas gravitacionales llegó en 1974, cuando los físicos Russell Hulse y Joseph Taylor descubrieron un par de estrellas de neutrones, a 21,000 años luz de la Tierra, que parecían comportarse en un patrón curioso. Dedujeron que las estrellas estaban orbitando entre síde tal manera que deben estar perdiendo energía en forma de ondas gravitacionales, una detección que le valió a los investigadores el Premio Nobel de física en 1993.
Ahora LIGO ha realizado la primera observación directa de ondas gravitacionales con un instrumento en la Tierra. Los investigadores detectaron las ondas gravitacionales el 14 de septiembre de 2015, a las 5:51 am EDT, utilizando los interferómetros gemelos LIGO, ubicados en Livingston, Louisiana yHanford, Washington.
Cada interferómetro en forma de L abarca 4 kilómetros de longitud y usa luz láser dividida en dos haces que viajan de un lado a otro a través de cada brazo, rebotando entre espejos configurados con precisión. Cada haz monitorea la distancia entre estos espejos, lo cual, según la teoría de Einstein, cambiará infinitesimalmente cuando una onda gravitacional pase por el instrumento.
"Casi se puede visualizar como si se cayera una roca en la superficie de un estanque, y la onda se apaga", dice Nergis Malvalvala, profesor de astrofísica de mármol Curtis y Kathleen en el MIT ". [Es] algo que distorsionael espacio-tiempo a su alrededor, y esa distorsión se propaga hacia afuera y nos alcanza en la Tierra, cientos de millones de años luz ".
En marzo pasado, los investigadores completaron importantes actualizaciones a los interferómetros, conocidos como Advanced LIGO, aumentando la sensibilidad de los instrumentos y permitiéndoles detectar un cambio en la longitud de cada brazo, más pequeño que una décima parte del diámetro de un protón.Para septiembre, estaban listos para comenzar a observar con ellos.
"El efecto que estamos midiendo en la Tierra es equivalente a medir la distancia a la estrella más cercana, Alpha Centauri, dentro de unas pocas micras", dice Evans. "Es una medición muy difícil de hacer. Einstein esperaba que esto nunca hubiera tenidosido arrancado "
Sin embargo, llegó una señal. Utilizando las ecuaciones de Einstein, el equipo analizó la señal y determinó que se originó a partir de una colisión entre dos agujeros negros masivos.
"Pensamos que iba a ser un gran desafío demostrarnos a nosotros mismos y a los demás que las primeras señales que vimos no fueron solo aletas y ruido aleatorio", dice David Shoemaker, director del Laboratorio MIT LIGO ". Pero la naturalezafue increíblemente amable al entregarnos una señal que es muy grande, extremadamente fácil de entender y absolutamente, magníficamente alineada con la teoría de Einstein ".
Para los cientos de científicos de LIGO, esta nueva detección de ondas gravitacionales marca no solo la culminación de una búsqueda de décadas, sino también el comienzo de una nueva forma de ver el universo.
"Esto realmente abre un área completamente nueva para la astrofísica", dice Evans. "Siempre miramos al cielo con telescopios y buscamos radiación electromagnética como luz, ondas de radio o rayos X. Ahora las ondas gravitacionales son completamente nuevasforma en que podemos conocer el universo que nos rodea "
detección pequeña, pago masivo
La investigación LIGO es llevada a cabo por LIGO Scientific Collaboration LSC, un grupo de unos 950 científicos en universidades de los Estados Unidos, incluido el MIT, y en otros 15 países. Los observatorios LIGO son operados por MIT y Caltech. Los instrumentosfueron explorados por primera vez como un medio para detectar ondas gravitacionales en la década de 1970 por Weiss, quien junto con Kip Thorne y Ronald Drever de Caltech propusieron LIGO en la década de 1980.
"Han sido 20 años de trabajo, y para algunos de nosotros, incluso más", dice Evans. "Ha pasado mucho tiempo trabajando en estos detectores, sin ver nada. Por lo tanto, es un verdadero cambio de mar y un interesante cambio psicológicopara toda la colaboración "
"El proyecto representa un triunfo para la investigación financiada por el gobierno federal", dice Maria Zuber, vicepresidenta de investigación y profesora de Geofísica de EA Griswold en el MIT. "LIGO es un ejemplo de una inversión de alto riesgo y alto retorno en la investigación basada en descubrimientosciencia. En este caso, la inversión fue importante y sostenida durante muchos años, con un resultado exitoso lejos de estar asegurado. Pero la recompensa científica se perfila como extraordinaria. Si bien los descubrimientos reportados aquí ya son magníficos, representan la punta del icebergde lo que se aprenderá sobre la física fundamental y la naturaleza del universo "
Los Observatorios LIGO deben realizar más actualizaciones en el futuro cercano. Actualmente, los instrumentos están funcionando a un tercio de su sensibilidad proyectada. Una vez que estén completamente optimizados, Shoemaker predice que los científicos podrán detectar ondas gravitacionales que emanan "deel borde del universo "
"En unos pocos años, cuando esto esté totalmente comisionado, deberíamos ver eventos de toda una variedad de objetos: agujeros negros, estrellas de neutrones, supernova, así como cosas que aún no hemos imaginado, en la frecuencia de una vezun día o una vez a la semana, dependiendo de cuántas sorpresas haya por ahí ", dice Shoemaker." Ese es nuestro sueño, y hasta ahora no tenemos ninguna razón para saber que eso no es cierto ".
En cuanto a esta nueva señal gravitacional, Weiss, quien ideó por primera vez el diseño rudimentario de LIGO en la década de 1970 como parte de un ejercicio experimental para uno de sus cursos MIT, ve la pequeña detección como una recompensa masiva.
"Esta es la primera evidencia real que hemos visto ahora de intensidades de campo gravitacionales altas: cosas monstruosas como estrellas, moviéndose a la velocidad de la luz, chocando entre sí y haciendo que la geometría del espacio-tiempo se convierta en algún tipode la lavadora ", dice Weiss." Y esta cosa terriblemente fuerte tuvo un efecto muy pequeño en nuestro aparato, un movimiento relativo de 10 a menos 18 metros entre los espejos en los brazos del interferómetro. Es increíble pensar en eso ".
Esta investigación fue financiada por la National Science Foundation.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por Jennifer Chu. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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