Fotografía arial de LIGO. Click para agrandar.
En el pasado, los astrónomos solo podían ver el cielo con luz visible, usando sus ojos como receptores. Pero, ¿y si tuvieras ojos de gravedad? Einstein predijo que los objetos y eventos más extremos del Universo deberían generar ondas de gravedad y distorsionar el espacio a su alrededor. Un nuevo experimento llamado Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (o LIGO) podría hacer la primera detección de estas ondas de gravedad.
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¿Qué es un podcast?
Fraser Cain: Muy bien, entonces, ¿qué es una onda de gravedad?
Dr. Sam Waldman: Entonces, una onda de gravedad puede explicarse si recuerda que la masa distorsiona el espacio-tiempo. Entonces, si recuerdas la analogía de una sábana tensada con una bola lanzada en el medio de la sábana, doblando la sábana; donde la bola de boliche es una masa y la lámina representa el espacio-tiempo. Si mueve esa bola de boliche de un lado a otro muy rápidamente, formará ondas en la sábana. Lo mismo es cierto para las masas en nuestro universo. Si mueve una estrella hacia adelante y hacia atrás muy rápidamente, formará ondas en el espacio-tiempo. Y esas ondas en el espacio-tiempo son observables. Las llamamos ondas de gravedad.
Fraser: Ahora, si estoy caminando por la habitación, ¿eso va a causar ondas de gravedad?
Dr. Waldman: Bueno, lo hará. Hasta donde sabemos, la gravedad funciona en todas las escalas y para todas las masas, pero el espacio-tiempo es muy rígido. Entonces, algo así como mi auto 200 libras moviéndose a través de mi oficina no causará ondas de gravedad. Lo que se requieren son objetos extremadamente masivos que se muevan muy rápidamente. Entonces, cuando buscamos detectar ondas de gravedad, buscamos objetos a escala de masa solar. En particular, buscamos estrellas de neutrones, que tienen entre 1,5 y 3 masas solares. Buscamos agujeros negros, hasta varios cientos de masas solares. Y buscamos que estos objetos se muevan muy rápidamente. Entonces, cuando hablamos de una estrella de neutrones, estamos hablando de una estrella de neutrones que se mueve casi a la velocidad de la luz. De hecho, tiene que estar vibrando a la velocidad de la luz, no solo puede estar moviéndose, tiene que estar sacudiéndose rápidamente. Por lo tanto, son sistemas cataclísmicos muy únicos y muy masivos que estamos buscando.
Fraser: Las ondas de gravedad son puramente teóricas, ¿verdad? Fueron predichos por Einstein, pero ¿todavía no se los ha visto?
Dr. Waldman: No han sido observados, han sido inferidos. Hay un sistema púlsar cuya frecuencia está girando hacia abajo a una velocidad consistente con la emisión de ondas de gravedad. Eso es PSR 1913 + 16. Y que la órbita de esta estrella está cambiando. Eso es una inferencia, pero por supuesto, eso no es una observación directa de las ondas de gravedad. Sin embargo, está bastante claro que tienen que existir. Si existen las leyes de Einstein, si la Relatividad General funciona, y funciona muy bien en muchas escalas de longitud, entonces también existen ondas de gravedad. Son muy difíciles de ver.
Fraser: ¿Qué se necesitará para poder detectarlos? Parece que son eventos muy catastróficos. Grandes agujeros negros grandes y estrellas de neutrones moviéndose, ¿por qué son tan difíciles de encontrar?
Dr. Waldman: Hay dos componentes para eso. Una cosa es que los agujeros negros no chocan todo el tiempo, y las estrellas de neutrones no tiemblan en cualquier lugar antiguo. Entonces, el número de eventos que pueden causar ondas de gravedad observables es en realidad muy pequeño. Ahora hablamos, por ejemplo, de la galaxia de la Vía Láctea con un evento que ocurre cada 30-50 años.
Pero la otra parte de esa ecuación es que las ondas de gravedad en sí mismas son muy pequeñas. Entonces introducen lo que llamamos una tensión; eso es un cambio de longitud por unidad de longitud. Por ejemplo, si tengo un criterio de un metro de largo, y una onda de gravedad aplastará ese criterio cuando llegue. Pero el nivel que aplastará el criterio es extremadamente pequeño. Si tengo un criterio de 1 metro, solo provocará un cambio de 10e-21 metros. Entonces es un cambio muy muy pequeño. Por supuesto, observar 10e-21 metros es donde el gran desafío es observar una onda de gravedad.
Fraser: Si estuvieras midiendo la longitud de una medida con otra medida, la longitud de esa otra medida estaría cambiando. Puedo ver que es difícil de hacer.
Dr. Waldman: Exactamente, entonces tienes un problema. La forma en que resolvemos el problema del criterio es que en realidad tenemos 2 criterios, y los formamos en una L. Y la forma en que los medimos es usar un láser. Y la forma en que hemos organizado nuestro criterio es en realidad una "L" de 4 km de largo. Hay 2 brazos, cada uno tiene 4 km de largo. Y al final de cada brazo hay una masa de prueba de cuarzo de 4 kg de la cual rebotamos los láseres. Y cuando una onda de gravedad pasa a través de este detector en forma de "L", estira una pierna mientras encoge la otra pierna. Y lo hace a unos 100 hercios, dentro de las frecuencias de audio. Entonces, si escuchas el movimiento de estas masas, escuchas un zumbido a 100 hercios. Entonces, lo que medimos con nuestros láseres es la longitud del brazo diferencial de este gran interferómetro en forma de "L". Por eso es LIGO. Es el Observatorio de ondas gravitacionales del interferómetro láser.
Fraser: A ver si entiendo esto correctamente. Hace miles de millones de años, un agujero negro choca con otro y genera un montón de ondas de gravedad. Estas ondas de gravedad cruzan el Universo y pasan por la Tierra. A medida que pasan por la Tierra, alargan uno de estos brazos y encogen el otro, y puede detectar este cambio con ese láser que rebota hacia adelante y hacia atrás.
Dr. Waldman: Eso es correcto. El desafío, por supuesto, es que ese cambio de longitud es extremadamente pequeño. En el caso de nuestros interferómetros de 4 km, el cambio de longitud que medimos ahora es de 10e-19 metros. Y para poner una escala en eso, el diámetro de un núcleo atómico es de solo 10e-15 metros. Entonces nuestra sensibilidad es subatómica.
Fraser: ¿Y qué tipo de eventos deberías poder detectar en este momento?
Dr. Waldman: Entonces esa es realmente un área fascinante. La analogía que nos gusta usar es que mirar el Universo con ondas de radio era mirar el Universo con telescopios. Las cosas que ves son totalmente diferentes. Eres sensible a un régimen totalmente diferente del Universo. En particular, LIGO es sensible a estos eventos cataclísmicos. Clasificamos nuestros eventos en 4 amplias categorías. Al primero lo llamamos ráfagas, y eso es algo así como la formación de un agujero negro. Entonces ocurre una explosión de supernova, y tanta materia se mueve tan rápidamente que forma agujeros negros, pero no sabes cómo son las ondas de gravedad. Todo lo que sabes es que hay ondas de gravedad. Estas son cosas que suceden extremadamente rápido. Duran como máximo 100 milisegundos, y provienen de la formación de agujeros negros.
Otro evento que observamos es cuando dos objetos están en órbita entre sí, digamos dos estrellas de neutrones que orbitan entre sí. Finalmente, el diámetro de esa órbita decae. Las estrellas de neutrones se fusionarán, caerán entre sí y formarán un agujero negro. Y en las últimas órbitas, esas estrellas de neutrones (tenga en cuenta que son objetos que pesan entre 1,5 y 3 masas solares), se mueven a grandes fracciones de la velocidad de la luz; digamos 10%, 20% de la velocidad de la luz. Y ese movimiento es un generador muy eficiente de ondas de gravedad. Entonces eso es lo que usamos como nuestra vela estándar. Eso es lo que creemos que sabemos que existe; sabemos que están ahí afuera, pero no estamos seguros de cuántos de ellos se están apagando en cualquier momento. No estamos seguros de cómo se ve una estrella de neutrones en espiral en ondas de radio, o rayos X, en radiación óptica. Por lo tanto, es un poco difícil calcular exactamente con qué frecuencia verá una espiral o una supernova.
Fraser: ¿Ahora podrás detectar su dirección?
Dr. Waldman: Tenemos dos interferómetros. De hecho, tenemos dos sitios y tres interferómetros. Un interferómetro está en Livingston Louisiana, que está justo al norte de Nueva Orleans. Y nuestro otro interferómetro está en el este del estado de Washington. Debido a que tenemos dos interferómetros, podemos hacer triangulación en el cielo. Pero queda algo de incertidumbre sobre dónde está exactamente la fuente. Hay otras colaboraciones en el mundo con las que trabajamos muy de cerca en Alemania, Italia y Japón, y también tienen detectores. Entonces, si múltiples detectores en múltiples sitios ven una onda de gravedad, entonces podemos hacer un muy buen trabajo en la localización. La esperanza es que veamos una onda de gravedad y sepamos de dónde viene. Luego les decimos a nuestros colegas astrónomos de radio y a nuestros colegas astrónomos de rayos X, y a nuestros colegas astrónomos ópticos que vayan a mirar esa porción del cielo.
Fraser: Hay algunos nuevos telescopios grandes en el horizonte; abrumadoramente grande y gigantescamente grande, y Magallanes ... los grandes telescopios bajando por la tubería con presupuestos bastante grandes para gastar. Digamos que puede encontrar de manera confiable ondas de gravedad, es casi como si agregara un nuevo espectro a nuestra detección. Si se pusieran grandes presupuestos en algunos de estos detectores de ondas gravitacionales, ¿para qué creen que podrían usarse?
Dr. Waldman: Bueno, como dije antes, es como la revolución en astronomía cuando los radiotelescopios se conectaron por primera vez. Estamos viendo una clase de fenómenos diferente desde el punto de vista financiero. Debo decir que el laboratorio LIGO es un laboratorio bastante grande. Tenemos más de 150 científicos trabajando, por lo que es una gran colaboración. Y esperamos colaborar con todos los astrónomos ópticos y de radio a medida que avanzamos. Pero es un poco difícil predecir qué camino tomará la ciencia. Creo que si hablas con muchos relativistas generales, la característica más emocionante de las ondas de gravedad es que estamos haciendo algo llamado Relatividad general de campo fuerte. Esa es toda la relatividad general que puedes medir mirando estrellas y galaxias es muy débil. No hay mucha masa involucrada, no se mueve muy rápido. Está a distancias muy grandes. Mientras que, cuando hablamos de la colisión de un agujero negro y una estrella de neutrones, ese último bit, cuando la estrella de neutrones cae en el agujero negro, es extremadamente violento y prueba un ámbito de relatividad general que simplemente no es muy accesible con telescopios normales, con radio, con rayos x. Entonces, la esperanza es que haya algo de física fundamentalmente nueva y emocionante allí. Creo que eso es lo que nos motiva principalmente, podríamos llamarlo divertido con la Relatividad general.
Fraser: ¿Y cuándo esperas tener tu primera detección?
Dr. Waldman: Entonces, los interferómetros de LIGO, los tres interferómetros que opera LIGO, están funcionando a sensibilidades de diseño, y actualmente estamos en el medio de nuestra ejecución S5; nuestra quinta carrera científica, que dura un año. Todo lo que hacemos durante un año es tratar de buscar ondas de gravedad. Al igual que con muchas cosas en astronomía, la mayor parte es esperar y ver. Si una supernova no explota, entonces no la veremos, por supuesto. Y entonces tenemos que estar en línea el mayor tiempo posible. Se cree que la probabilidad de observar un evento, como un evento de supernova, se encuentra en la región de, en nuestra sensibilidad actual, se cree que vamos a ver uno cada 10-20 años. Hay una gran variedad. En la literatura, hay personas que afirman que veremos múltiples por año, y luego hay personas que afirman que nunca más veremos nuestra sensibilidad. Y el término medio conservador es una vez cada 10 años. Por otro lado, estamos actualizando nuestros detectores tan pronto como termine esta ejecución. Y estamos mejorando la sensibilidad en un factor de 2, lo que aumentaría nuestra tasa de detección en un factor de 2 al cubo. Porque la sensibilidad es un radio, y estamos sondeando un volumen en el espacio. Con ese factor de 8-10 en la tasa de detección, deberíamos ver un evento una vez al año más o menos. Y luego de eso, estamos actualizando a lo que se llama Advanced LIGO, que es un factor de mejora de 10 en la sensibilidad. En cuyo caso casi definitivamente veremos ondas de gravedad una vez al día más o menos; cada 2-3 días Ese instrumento está diseñado para ser una herramienta muy real. Queremos hacer astronomía de gravedad; estar viendo eventos cada pocos días. Será como lanzar el satélite Swift. Tan pronto como Swift subió, comenzamos a ver explosiones de rayos gamma todo el tiempo, y Advanced LIGO será similar.
