es
ca

El grupo de Relatividad y Gravitación de la UIB busca comprobar la existencia de ondas gravitacionales

Científicos del grupo de Relatividad y Gravitación de la UIB van a la caza de ondas gravitacionales con Advanced-LIGO, considerado como el observatorio capaz de detectar por primera vez estas ondas.

Hace exactamente 100 años, Einstein postuló su teoría de la relatividad general, la cual sugiere que el espacio (o más correctamente, el espacio-tiempo) es curvo y la gravedad es un producto de esta curvatura. Esta teoría revolucionaria, además de predecir correctamente la existencia de agujeros negros, sugiere que objetos acelerados cambian la curvatura del espacio-tiempo, produciendo ondas gravitacionales. Estas ondas transportan información no sólo sobre los objetos que las producen, sino también sobre la naturaleza de la gravedad en condiciones extremas que no puede obtenerse mediante otras herramientas astronómicas.

Los intentos de detectar experimentalmente las ondas gravitacionales han estado en curso desde hace más de 50 años, y aún no se han encontrado, debido a que estas son poco frecuentes y con amplitudes extremadamente pequeñas. A pesar de esto, la influencia de las ondas gravitacionales en un sistema de púlsar binario (dos estrellas de neutrones que orbitan entre sí) ha sido medida con gran precisión y está en excelente acuerdo con las predicciones teóricas. Por eso, los científicos están casi seguros de que las ondas gravitacionales existen. Pero una detección directa confirmaría la predicción de Einstein y abriría una nueva ventana para observar los eventos más violentos del Universo como las supernovas (explosiones de estrellas) o las colisiones y fusiones de agujeros negros y estrellas de neutrones (restos de estrellas masivas después de sus muertes termonucleares). Estos eventos son tan cataclísmicos que cuando se producen, hacen que el tejido del espacio mismo vibre como un tambor. Las ondulaciones del espacio-tiempo emanan en todas direcciones, viajando a la velocidad de la luz, lo que distorsiona físicamente todo a su paso. Pero cuanto más se alejan de su origen, más pequeñas se vuelven, hasta que, en el momento en que llegan a la Tierra, la distorsión espacial causada por las ondas gravitacionales en una distancia de varios kilómetros es solo de una fracción del tamaño del protón. El detectar este inimaginablemente pequeño movimiento es para lo que están diseñados los detectores de LIGO, acrónimo de Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (observatorio de interferometría láser de ondas gravitacionales).

Los interferómetros LIGO hacen rebotar luz láser entre espejos situados en los extremos opuestos de los tubos de vacío de 4 kilómetros de largo, con el objetivo de detectar el paso de las ondas gravitacionales que extienden y comprimen la longitud de sus brazos – junto con el resto del espacio.

El viernes, 18 de septiembre de 2015, toda la colaboración científica de LIGO (LSC por sus siglas en inglés) a la que pertenece el grupo de Relatividad y Gravitación de la UIB, estaba muy emocionada al dar comienzo de forma oficial el primer período de observación de los detectores avanzados de ondas gravitacionales de LIGO en los observatorios de Hanford WA y Livingston LA en EEUU, aunque en las semanas precedentes ambos detectores estaban ya en funcionamiento, en modo de prueba. En particular, este ha sido un momento muy especial para Miquel Oliver, estudiante de doctorado de la UIB, que se encuentra desde principios de setiembre trabajando en la sala de control de LIGO Hanford monitorizando el instrumento. Para Miquel esta experiencia le brinda una oportunidad única, que esperamos sea seguida por otros estudiantes.

Alicia Sintes, profesora del departamento de Física de la UIB,   está orgullosa de haber sido miembro de la colaboración científica de LIGO (LSC por sus siglas en inglés) desde sus inicios en 1997. La LSC es un grupo de científicos a la búsqueda de la primera detección directa de ondas gravitacionales, con objeto de emplearlas en la exploración de las leyes fundamentales de la física y como herramientas de observación astronómica. La LSC está formado por unos 950 científicos pertenecientes a diversas universidades de EEUU y otros 15 países. En particular, hasta estos momentos, el grupo de la UIB es el único grupo español que participa en ella. La red LSC incluye los interferómetros LIGO y el interferómetro GEO600, situado cerca de Hannover (Alemania). La LSC trabaja conjuntamente con la colaboración Virgo (que diseñó y construyó otro interferómetro en Cascina, Italia), para analizar datos de los interferómetros LIGO, GEO y Virgo.

Cabe remarcar el gran interés de toda la comunidad astronómica en general en estas nuevas mensajeras del Universo. En particular, a partir de esta nueva etapa de observación, LIGO pasará notificaciones a 75 observatorios astronómicos de todo el mundo que han acordado, en cualquier momento, apuntar sus telescopios hacia el cielo en busca de señales electromagnéticas correspondientes a posibles detecciones de ondas gravitacionales.

El grupo de la UIB, al igual que el resto de la comunidad científica, están ansiosos de ver los primeros resultados. Desde el momento que se pusieron en funcionamiento, los nuevos detectores avanzados de LIGO son ya tres veces más sensible que lo que fue LIGO-inicial al final de su vida útil. Es decir, que estos nuevos detectores ya son capaces de escuchar las ondas gravitacionales producidas por la fusión de estrellas de neutrones en lugares tan lejanos como a 225 millones de años luz (70 Mpc), en comparación con los 65 millones de años luz (20 Mpc) accesibles al final de la última búsqueda de LIGO (que concluyó en 2010). El triplicar el alcance de la distancia se traduce en aumentar 27 veces el volumen de espacio accesible a LIGO, hecho que aumenta considerablemente las posibilidades de detección.

Este primer período de observación tendrá una duración de unos 4 meses (hasta al menos el 12 de enero de 2016), durante los cuales ambos detectores en Washington y Louisiana operarán simultáneamente durante el mayor número de horas al día posible. Mantener en funcionamiento ambos interferómetros durante largos períodos de tiempo y asegurarse que ambos instrumentos están operando a la vez con la misma precisión es crucial para la misión de LIGO. Pero para poder afrontar el reto de una primera detección también son cruciales el desarrollo de sofisticadas técnicas de análisis de los datos, así como el disponer de modelos precisos de perfiles de ondas gravitacionales. Como remarca Sascha Husa, investigador de la UIB, “la ciencia que podemos aprender de estas observaciones depende de que podamos identificar correctamente las fuentes y medir sus parámetros físicos”.

El trabajo del grupo de la UIB se centra en la observación de ondas gravitacionales procedentes de agujeros negros y estrellas de neutrones, y el modelado computacional necesario para identificar dichas fuentes. Sus miembros han contribuido al software “LIGO Scientific Collaboration Algorithm Library Suite” y al proyecto de computación distribuida Einstein@home. La UIB ha liderado diferentes búsquedas de púlsares desconocidos y ha generado y utilizado simulaciones numéricas para crear sofisticados modelos analíticos de fusión de sistemas binarios de agujeros negros para ser usados en el análisis de los datos. En definitiva, el grupo de la UIB contribuye a las actividades prioritarias del libro blanco de análisis de datos de LIGO-Virgo.

 

A medida que hayan más períodos de observación en los meses y años venideros, los instrumentos serán afinados hasta alcanzar la sensibilidad de diseño final, 10 veces superior a la de LIGO-inicial, permitiendo escuchar las ondas gravitacionales generadas a distancias tan lejanas como 650 millones de años luz (200 Mpc). El aumento de más de un factor de 10 en la sensibilidad viene acompañado también de un incremento significativo del rango de frecuencias sensibles. Esto permitirá a Advanced LIGO ver los últimos minutos de la vida de parejas de agujeros negros masivos y como estos se funden en un único agujero negro. Esta mejora también permitirá identificar con precisión las señales periódicas de muchos púlsares conocidos que irradian en el rango de 10 a 2000 Hertz (frecuencias que corresponden a las notas agudas de un órgano). Advanced LIGO también se utilizará para buscar el fondo cósmico de ondas gravitacionales, permitiendo probar teorías sobre el desarrollo del universo solo 10-35 segundos después del Big Bang.

Tras la detección de una partícula consistente con el Bosón de Higgs, la física sigue tratando de alcanzar y superar nuevos retos. Ahora, la búsqueda de las ondas gravitacionales se ha convertido en el nuevo gran desafío de la investigación en física. Advanced LIGO podría hacer historia y el grupo de Relatividad y Gravitación de la UIB está preparado para la caza de estas nuevas mensajeras del Universo.

 

El grupo de Relatividad y Gravitación http://www.grg.uib.es/ es miembro del Instituto de Aplicaciones Computacionales de Código Comunitario (IAC3 http://www.iac3.eu/ ) de la UIB y del Instituto de Estudios Espaciales de Cataluña (IEEC http://www.ieec.cat/es/ ). Tiene el apoyo del Ministerio de Economía  y Competitividad, del Govern de les Illes Balears, de la Red Española de Supercomputación y PRACE, además de los proyectos Consolider Ingenio CPAN y Multidark.

Noticia en otros medios:

– UIB: http://diari.uib.es/arxiu/Advanced-LIGO-la-UIB-a-la-caza-de-las-ondas.cid415349

– LIGO: http://www.ligo.org/sp/news/o1.php