¿Cómo se detectan las ondas gravitacionales?

Para detectar ondas gravitacionales directamente por primera vez, los científicos tuvieron que medir un cambio de distancia 1,000 veces más pequeño que el ancho de un protón.

Los investigadores del Observatorio de ondas gravitacionales con interferómetro láser (LIGO) anunciaron hoy (11 de febrero) que habían realizado la primera detección directa de ondas gravitacionales, ondas enigmáticas en el espacio-tiempo cuya existencia fue predicha por primera vez hace 100 años por la famosa teoría de Albert Einstein. de relatividad general.

Los investigadores dijeron que las ondas gravitacionales fueron generadas por la fusión de dos agujeros negros de tamaño mediano hace unos 1.300 millones de años. Estas ondas corrieron por el espacio a la velocidad de la luz y se encontraron con la Tierra, donde fueron recogidas por los dos enormes detectores de LIGO como una breve señal el 14 de septiembre de 2015.

Detectores supersensibles

Los detectores LIGO están en Livingston, Louisiana, y Hanford, Washington. Cada uno consiste en una estructura gigante en forma de L con brazos de 2.5 millas (4 kilómetros) de largo. Un rayo láser ilumina cada brazo desde el punto crucial de la “L”, y los espejos en los extremos de estos brazos reflejan la luz hacia atrás.

Usando rayos láser, los científicos han detectado las distorsiones físicas causadas por el paso de ondas gravitacionales.

Si los haces de ambos brazos regresan al punto crucial al mismo tiempo, se cancelan entre sí y no se produce ninguna señal en el detector de luz del sistema. Este es el escenario normal esperado. Pero si uno de los haces llega un poco tarde, se produce una señal, que podría ser evidencia de una onda gravitacional.

Las ondas gravitacionales, después de todo, distorsionan el tejido del espacio-tiempo. Una onda que pasa a través de un detector LIGO – y “pasa a través” es una descripción bastante adecuada, porque las ondas gravitacionales no interactúan significativamente con la materia – alargará el espacio-tiempo muy ligeramente a lo largo de un brazo de la “L” y la comprimirá a lo largo del otro brazo.

Sin embargo, “muy ligeramente” no capta por completo cuán minúsculo es este cambio de distancia. El efecto que LIGO observó en septiembre pasado se traduce en un cambio de una millonésima de una millonésima de una millonésima parte de un metro, aproximadamente una milésima parte del diámetro de un protón, dijeron los miembros del equipo del proyecto.

Para poner este tipo de sensibilidad en una perspectiva aún más, la tecnología LIGO es teóricamente capaz de medir la distancia desde el sol hasta la estrella más cercana, Proxima Centauri, que se encuentra a unos 4.25 años luz de distancia, “a un nivel de aproximadamente el ancho de un cabello humano “, dijo David Reitze del Instituto de Tecnología de California (Caltech), director ejecutivo del Laboratorio LIGO, durante una conferencia de prensa hoy.

“LIGO es el dispositivo de medición más preciso jamás construido”, agregó Reitze.

Alcanzar este nivel de sensibilidad no es fácil. Por ejemplo, los rayos láser de LIGO viajan por los brazos de los detectores en un vacío casi perfecto. Y los espejos reflectores de la luz del sistema cuelgan de péndulos en una configuración sofisticada de suspensión cuádruple, para aislarlos de las sacudidas y empujones cotidianos experimentados en la superficie de la Tierra, dijeron los miembros del equipo de LIGO.

Además, la detección innovadora no habría sido posible sin una revisión significativa de los detectores LIGO, que primero buscaron ondas gravitacionales entre 2002 y 2010. El proyecto luego tomó un paréntesis de observación de cinco años, ya que los miembros del equipo rediseñaron y actualizaron el sistema. instrumentos para poner en funcionamiento un nuevo “Advanced LIGO”.

Advanced LIGO presenta una sensibilidad 10 veces mayor que la encarnación original, dijeron los representantes del proyecto. La nueva versión comenzó su primera campaña oficial de observación en septiembre de 2015, unos días después de la detección histórica, que en realidad se realizó durante una prueba de ingeniería.

El hecho de que Advanced LIGO hizo una detección tan pronto después de ponerse a trabajar sugiere que el sistema detectará más ondas gravitacionales en el futuro cercano, dijeron los miembros del equipo.

Fuente: space.com

Permítanme explicar el proceso de detección de las ondas gravitacionales ( provenientes de un sitio web ):

1. LIGO es un enorme detector en forma de L que ha estado allí desde 2002, con la esperanza de detectar ondas gravitacionales algún día.

1. Es un instrumento que emite un rayo láser que se divide en dos, y se envía a través de dos tubos de 2.5 millas de largo. Hay espejos al final del túnel, que reflejan este láser ( el láser se dispara perpendicular al espejo ). Según la ley de reflexión, ángulo de incidencia = ángulo de reflexión. Por lo tanto, si los espejos permanecen en su posición media, los rayos láser deberían converger en el mismo punto, justo en el centro (los láseres viajan a la misma velocidad, y aquí, la distancia es la misma ).
2. Ahora, sabemos que las ondas gravitacionales deforman el espacio-tiempo, lo que estiraría y exprimiría rítmicamente cualquier objeto en su camino, lo que en este caso, haría un tubo más largo y otro más corto. Por lo tanto, los láseres no convergerían justo en el centro, ya que la velocidad del láser sigue siendo la misma, ¡pero la distancia recorrida es mayor en un caso y menor en el otro!
3. Como no convergen en el centro, se detectan las ondas gravitacionales.

Hasta ahora, no lo son. LIGO (ver Wikipedia) debería estar en línea pronto. Mide la distancia entre espejos. Cuando pasa una onda de gravedad, esa distancia cambia. Me gusta pensar de esta manera: los espejos no se mueven, pero la onda de gravedad cambia la cantidad de espacio entre ellos. (En relatividad general, la gravedad se exhibe en términos de una “métrica”. La métrica te dice cuánto espacio se encuentra entre dos coordenadas. Esa distancia puede cambiar, incluso si las coordenadas no cambian). Una onda de gravedad es un onda de la métrica; Es la métrica que está agitando. Esta métrica reemplaza el antiguo concepto del campo gravitacional.

Según la Teoría general de la relatividad (GR) de Einstein, la gravedad no es una fuerza (como el magnetismo, por ejemplo), sino una distorsión en la estructura del espacio-tiempo.

Nuestro Sol distorsionaría el espacio (como en la imagen a continuación) de manera muy similar a como una bola de boliche se hundiría en una manta bien estirada, y la Tierra “rueda” alrededor del Sol dentro de esta curvatura del espacio, muy parecido a lo que hace una bola de ruleta en Una ruleta.

Las ondas gravitacionales son ondas en la estructura del espacio que son similares a las ondas que se propagan cuando una roca es arrojada al agua. La colisión de objetos como las estrellas de neutrones y la fusión de los agujeros negros causan ondas muy pequeñas en el espacio que son más pequeñas que un átomo y viajan a la velocidad de la luz desde su fuente en todo el universo.

Los detectores LIGO detectaron tales ondas de gravedad en la estructura del espacio haciendo rebotar dos haces de luz de una serie de espejos que se configuran en forma de “L”. Estos dos haces de luz separados viajan como una ola o onda en el agua también, pero no distorsionan el espacio de la misma manera que la gravedad.

Estos dos haces de luz se cruzan en un punto de encuentro donde estas ondas de luz están en perfecta armonía entre sí.

Si la cantidad de espacio entre cualquiera de estos pares de espejos cambia, la longitud de una de las ondas de luz cambiará y caerá al unísono con la otra, causando una perturbación que puede medir la amplitud de las ondas gravitacionales que causan la perturbación.

Los detectores LIGO pueden medir cambios en el espacio tan pequeños como 1 / 10,000 del ancho de un solo protón. Esto es lo suficientemente pequeño como para descartar cambios en el espacio entre los espejos causados ​​por otras cosas como terremotos y similares, que no alteran regiones del espacio 10,000 veces más pequeñas que las partículas subatómicas.

LIGO detecta ondas gravitacionales predichas por Albert Einstein. 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 escucharon el sonido de dos agujeros negros en espiral, y luego se fusionaron en un solo agujero negro más grande.

Determinaron que los agujeros negros, 30 veces más masivos que nuestro sol, se rodeaban entre sí a una velocidad cercana a la de la luz antes de fusionarse en una colisión y emitir una enorme cantidad de energía equivalente a aproximadamente tres masas solares, según la ecuación E de Einstein. = mc2 – en forma de ondas gravitacionales.

LIGO es un proyecto conjunto entre científicos del MIT, Caltech y muchos otros colegios y universidades. Los científicos involucrados en el proyecto y el análisis de los datos para la astronomía de ondas gravitacionales están organizados por la Colaboración Científica LIGO, que incluye a más de 900 científicos en todo el mundo. LIGO es financiado por la National Science Foundation (NSF)