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Redescubriendo las Ondas Gravitacionales

Hoy 11 de febrero de 2016, el equipo científico de LIGO, el Laser Interferometer Gravitational wave Observatory, anunció la que es posiblemente una de las noticias más esperadas en la Astronomía Observacional del último siglo: la posible detección directa de ondas gravitacionales.  El logro científico y tecnológico es realmente alucinante.  Su significado para la Física Teórica y la Astronomía, sin embargo, se ha visto, desde mi muy personal punto de vista, exagerado; especialmente en algunos aspectos en los que para cualquiera que conozca la historia de la física en el siglo xx, resulta increíble el aparente desconocimiento de algunos, de lo ya conseguido en esta área.  He aquí una “perorata” de por qué deberíamos ver con una conciencia más amplia de la historia de la búsqueda de las ondas gravitacionales, este sonado hallazgo. 

“La detección de ondas gravitacionales (OG) será en realidad un logro más técnico que científico. Las OG en realidad se descubrieron en 1974
Enero 13 de 2016
http://bit.ly/trino-LIGO

Un meme que refleja el sentir de algunos científicos

Un meme que refleja el sentir de algunos científicos

Mientras me preparaba para escribir esta entrada de Blog, Walter Tangarife, un buen amigo y destacado Físico Teórico Colombiano, me enviaba por correo una entretenida y clara entrada de Blog de Matt Strassler, escrita horas antes del sonado anuncio de LIGO.

Para quienes puedan leer en inglés fluidamente y prefieran una voz “autorizada” en lugar de la opinión de un Astrofísico paisa amargado como yo, vayan directamente a este enlace;  Matt, esencialmente, presenta en detalle algunas de las ideas y posiciones que quiero exponer a ustedes aquí (es un honor para mí que alguien de su estatura piense parecido).  Si después de leerla les quedan ganas, vuelvan aquí para leer lo que queda de esta entrada.

Mi sentimiento acerca del anuncio de LIGO esta claramente reflejado en el Meme con el que comienza esta entrada.  Sin dejar de reconocer la importancia del hallazgo (que se anunciará en tan solo unos minutos) y reconocer que estoy tan emocionado como cuando Colombia se gano el Miss Universo en dos ocasiones consecutivas (aunque la segunda solo fue una broma de mal gusto), hay algo que me deja un mal sabor de boca.

Ese algo es la idea que parece verse reflejada en casi todo lo que veo escrito por ahí, de que las ondas gravitacionales no se habían descubierto todavía y que el hallazo de LIGO representa un “salto cuántico” en nuestra comprensión de la naturaleza de este fenómeno.

Si bien no todos los que escriben blogs o notas de prensa sobre esto, son tan tontos como para no entender que esta no es la realidad estricta, también es cierto que el gran público, que es dado en consumir información sin poca digestión, merece que se le insista vehementemente en la realidad objetiva detrás de algunos descubrimientos espectaculares.  Casos recientes (y otros no tan recientes) como el de los neutrinos superlumínicos, el descubrimiento de la huella de “paquetes” de ondas gravitacionales en la radiación de fono o de bichos en un meteorito marciano, son pruebas fehacientes de que los comunicadores y científicos debemos ser más responsables al anunciar estas cosas que nos emocionan.

Las ondas gravitacionales existen y revolotean por todo el Universo.  Punto.  De esto no hay absolutamente ninguna duda.  Pero usted puede decir “tampoco había ‘duda’ de que existía el Bosón de Higgs y sin embargo se construyo el LHC para detectarlo”.  Pero el caso es bien distinto.

Las existencia de las Ondas Gravitacionales fue primero intuida por Einstein a principios del siglo xx cuando desarrollaba su teoría de la Relatividad Especial y sembraba las bases de su Relatividad General; lo hizo al reconocer que la influencia de la gravedad no podía llegar instantáneamente de unos cuerpos a otros.

Su teoría de la relatividad (que ha sido confirmada una y otra vez y que hoy no es solo una teoría, sino el cuerpo teórico sobre el que se formulan TODAS LAS TEORÍAS físicas), afirma que algo que transporte información, incluyendo un “hey Luna, estoy aquí, orbítame”, no puede propagarse instantáneamente entre dos puntos del espacio.

Así, si yo quito instantáneamente la Tierra, razonaba Einstein entre 1905 y 1907, la Luna solo se daría cuenta un poco más de un segundo después, de la ausencia de su “patrona” gravitacional.

¿Pero que transporta ese mensaje gravitacional entre los cuerpos?, se preguntaba Einstein en aquellos años.  No fue solo sino hasta que hubo completado su obra intelectual más maravillosa, la Teoría General de la Relatividad (y de cuya historia hable recientemente en esta página), cuando por fin encontró la respuesta: el espacio-tiempo es elástico, como una tela, y si se lo hala por aquí, el halon se propagará por el resto de la “tela” a una velocidad muy grande pero finita (la misma velocidad de la luz, ¿no es increible?).

A todos los fenómenos en los que información pura (no materia) viaja de un lugar a otro a través de un “medio” (materia, fuerzas o espacio-tiempo) y satisface ciertas propiedades matemáticas, lo llamamos una onda (o chisme físico, para los amigos).

A los chismes de espacio-tiempo las llamamos “ondas gravitacionales” (a mi me gusta más “ondas de espacio-tiempo“).

Pero una cosa es una intuición de Einstein o una predicción de una teoría muy bonita (pero falible como todas) y otra es ver el fenómeno o sus efectos en vivo y en directo.

Eso fue justamente lo que DESCUBRIERON en la década de los 70 y 80, Russell Alan Hulse and Joseph Hooton Taylor, Jr., observando el extraño baile de una binaria de estrellas de neutrones (la primera descubierta jamás) usando el para ello entre otros el radio telescopio de Arecibo.

Las estrellas de Neutrones son versiones aumentadas de los núcleos atómicos.  Como nadie sabe que es un núcleo atómico, difícilmente podría entender lo extremas de las condiciones alrededor de una estrella de neutrones.  Pero bueno, solo créanme (como tuve que hacerlo yo en mi momento).

Entre las cosas extrañas que pasan alrededor de las estrellas de neutrones esta el hecho de que el espacio-tiempo esta fuertemente arrugado, al punto que es difícil confundir esas arrugas con una “fuerza mágica de atracción” como confundió Newton el espacio-tiempo arrugado alrededor de la Tierra.

Si al espacio-tiempo arrugado alrededor de un bicho de estos le agregas la presencia de otro bicho similar que para colmo se mueve alrededor del primera (recuerden que forman un par binario), las cosas con el espacio-tiempo se ponen “peludas”.

Lo primero que pasa es que cuando se “mira” el objeto desde la distancia, la gravedad que produce cambia periódicamente con el tiempo (esto debido justamente a qué desde ellas salen ondas de espacio-tiempo contándonos que allí hay una binaria de estrellas de neutrones).  Pero crear estos “chismes gravitacionales” no es gratuito.  Si dos personas se sientan a chismosiar todo el día en una ventana gastarán su energía hasta quedar exhaustas y tal vez morir.

Eso es justamente lo que pasa con las estrellas de neutrones binarias.  De tanto chismosiar al resto del universo de que están juntas dándose vueltas, consumen su energía.   ¿Se enfrían entonces?.  Por suerte las estrellas de neutrones tienen energía por todas partes.  La energía que se va en la forma de ondas gravitacionales, la sacan del movimiento una alrededor de la otra.  Como resultado, las dos empiezan a aproximarse mutuamente orbitando su centro común de movimiento en tiempos cada vez menores.

Si se usa un radiotelescopio suficientemente poderosos podrás ver el cambio en el movimiento de las estrellas de neutrones a medida que emiten Ondas Gravitacionales.  Ese fue justamente (parte) de los descubrimientos de Husle y Taylor que los llevo finalmente a ganar el premio Nobel en 1993.  Fue este también justamente el momento en el que descubrimos las ondas gravitacionales.

Comparación de las observaciones de las propiedades del pulsar binario de Husle-Taylor y la predicción de la Relatividad usando ondas gravitacionales. La coincidencia es perfecta. Este gráfico marco el descubrimiento de las ondas gravitacionales en 1974.

Comparación de las observaciones de las propiedades del pulsar binario de Husle-Taylor y la predicción de la Relatividad usando ondas gravitacionales. La coincidencia es perfecta. Este gráfico literalmente demuestra que las ondas gravitacionales existen.

¿Y entonces? ¿por qué tanta bulla con LIGO?  Lo que ha descubierto LIGO (ya lo puedo decir en presente porque mientras termino de escribir veo las redes sociales invadidas de los resultados espectaculares anunciados por el equipo del detector) es, no solo un fenómeno similar al descubierto por Husle y Taylor, la perdida paulatina de energía y posterior coalescencia de dos objetos de masas enormes, dos agujeros negros de más de 20 veces la masa del Sol, sino que además la DETECCIÓN DIRECTA de las ondas gravitacionales, los chismes, que emergieron durante este fantástico evento.

Representación artística más los datos tomados por LIGO de la coalescencia de dos agujeros negros de más de 20 veces la masa del Sol. Las curvas azul y roja representan las "observaciones" y la predicción de la teoría de Einstein. Juzguen por su cuenta la coincidencia entre ambos. Crédito: LIGO/NSF.

Representación artística más los datos tomados por LIGO de la coalescencia de dos agujeros negros de más de 20 veces la masa del Sol. Las curvas azul y roja representan las “observaciones” y la predicción de la teoría de Einstein. Juzguen por su cuenta la coincidencia entre ambos. Crédito: LIGO/NSF.

LIGO no ha descubierto las ondas gravitacionales.  Eso es claro.  Pero las ha detectado por primera vez y todos estamos felices por ello.

La mejor noticia de todas es que el día de hoy marca el nacimiento oficial de una nueva rama de la Astronomía: la Astronomía no electromagnética; es decir aquella que no depende de la luz y de otras ondas electromagnéticas para detectar cosas que están muy lejos.

A diferencia del pulsar binario de Husle y Taylor, los agujeros negros bailarines de LIGO nunca fueron vistos por un radiotelescopio o un telescopio en otras longitudes de onda.  Todo lo que sabemos ahora de este par (es decir lo que sabemos desde hace unos minutos cuando lo anunciaron oficialmente) lo aprendimos única y exclusivamente a partir de las ondas gravitacionales detectadas por LIGO.

Como dicen los anuncios publicitarios “ningún fotón fue herido o capturado en esta película”.

Pero insisto. La detección no es igual al descubrimiento.  Estamos frente a un “salto cuántico” tecnológico, mas no a uno científico.  En esto podrían discrepar muchos de mis colegas.  Las posibilidades científicas que se abren en la ciencia son muchas, pero todo hay que decirlo, incluso en los momentos más emocionantes.  En realidad todos sabíamos que las ondas gravitacionales estaban ahí desde hace décadas.

Término con algo que me gusta aún más de todo esto y que se lo leí hace un par de horas a Matt (recuerden leer la maravillosa entrada de blog que recomende al principio): descubrir la coalescencia de dos agujeros negros es aún más espectacular para confirmar las predicciones de la Relatividad General que detectar unas ondas que sabíamos existían desde la presidencia de Reagan.

Para saber más:

  • Entren a Google y escriban: “Gravitational+Waves+LIGO” y si no encuentran lecturas que los satisfagan están en la olla.
  • Aún así les recomiendo esta nota de prensa publicada por mi buen amigo Juan Rafael Martínez en el periódico El Tiempo de Colombia: este enlace.
  • Para los más ñoños lean el paper original anunciando el descubrimiento: este enlace.
  • Aquí hay un interesante recuento histórico de la búsqueda de ondas gravitacionales en el último siglo: este enlace.
  • Una entrevista exclusiva con Einstein acerca de la detección de las ondas gravitacionales: este enlace.

Notas:

  • Edison en los comentarios hace unas precisiones que considero muy pertinentes y que han implicado cambios sutiles en el texto (resaltados en rojo).  La más importante es recordarnos que en realidad 1974 es tan solo el año en el que se descubrió la binaria de estrellas de neutrones.  En realidad las medidas que llevaron a confirmar que su período orbital estaba cambiando tal y como lo predecía la relatividad fue un trabajo que se extendió, casi una década, entre 1973 y 1982.  En mi “defensa” debo decir que la fecha de nacimiento de la Teoría Cuántica también se cifra en el año 1900, con el trabajo de Planck sobre la radiación de cuerpo negro, aunque todos sabemos que la teoría cuántica en realidad fue “entendida” y desarrollada durante dos décadas después de eso.
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4 pensamientos en “Redescubriendo las Ondas Gravitacionales

  1. Edison en dijo:

    No estoy del todo de acuerdo por las siguientes razones:

    * En 1974 descubrieron el sistema binario, no midieron su cambio en el periodo, esto llevo muchos años.

    * El hecho que las ondas gravitacionales hayan sido detectadas de manera indirecta no es lo mismo que detectarlas de manera directa. Aunque es cierto que todos (o casi todos) estabamos seguros que las ondas gravitacionales existian debido a las observaciones del sistema binario.

    * Puede ser que la palabra “descubrimiento” no aplique para LIGO, pero quizas tampoco aplique para el sistema binario, ya que es una suma de observacion y confianza en la teoría. Tal como ocurre ahora con LIGO, donde la observacion esta ligada a la confianza de las simulaciones numericas.

    Creo que lo mas importante es resalta lo que dice Jorge sobre LIGO y la nueva astronomia. LIGO no solo midio de manera directa las ondas gravitacionales, tambien da evidencia de sistemas binarios de agujeros negros, lo cual no ha sido observado por ningun otro tipo de observaciones.

    P.D. Perdon por la falta de acentos

    • Hola Edison,

      Gracias por tan excelentes comentarios. Complementan bastante bien lo que esta en el blog. Voy a precisar mejor el tema de cuándo finalmente se midió el cambio en el período.

      Solo quiero citar textualmente el comunicado de prensa de LIGO hoy sobre la prioridad de Husle y Taylor: “The existence of gravitational waves was first demonstrated in the 1970s and 80s by
      Joseph Taylor, Jr., and colleagues. Taylor and Russell Hulse discovered in 1974 a binary
      system composed of a pulsar in orbit around a neutron star. Taylor and Joel M. Weisberg
      in 1982 found that the orbit of the pulsar was slowly shrinking over time because of the
      release of energy in the form of gravitational waves. For discovering the pulsar and
      showing that it would make possible this particular gravitational wave measurement,
      Hulse and Taylor were awarded the Nobel Prize in Physics in 1993.”

  2. Rodrigo Martínez en dijo:

    Bnos días. Les tengo un dato para los gomosos. Se puede descargar un ringtone para el celular con el sonido de estas ondas…todavía no se en dónde pero ya existe.
    Saludos a todos
    Rodrigo Martínez

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