Rafael Correa Devés: “El Premio Nobel de Física 2017 abre una nueva era en la exploración del universo”

Autor: Comunicaciones UTEM|
Rafaél Correa Devés, Director del Departamento de Física UTEM y Director de la Sociedad Chilena de Física, analiza el trabajo de los investigadores ganadores del Premio Nobel de Física 2017.

El 11 de Febrero de 2016 en la página web del laboratorio LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory – Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferometría Láser) USA, informaba que “…Por primera vez, los científicos han observado ondulaciones en el tejido del espacio-tiempo, llamadas ondas gravitacionales, llegando a la Tierra procedentes de un evento catastrófico en el distante universo. Esto confirma una importante predicción de la teoría de la relatividad general de Albert Einstein de 1915 y abre una nueva ventana sin precedentes en el cosmos… Las ondas gravitacionales fueron detectadas el 14 de septiembre de 2015 a las 5:51 a.m. hora de verano del este de Estados Unidos por los dos detectores gemelos del Observatorio por Interferometría Láser de Ondas Gravitacionales (LIGO), ubicados en Livingston, Louisiana, y Hanford, Washington, EE.UU. El descubrimiento, aceptado para su publicación en la revista Physical Review Letters, fue realizado por la Colaboración Científica LIGO que incluye la colaboración del Australian Consortium for Interferometric Gravitational Astronomy y Virgo (laboratorio similar de origen francés – italiano) usando datos de los dos detectores LIGO..”

Y en esta línea, en octubre de 2017 se informó que los científicos estadounidenses Rainer Weiss, Barry Barish y Kip Thornetodos pertenecientes a LIGO, han sido galardonados con el Premio Nobel de Física 2017 por su trabajo en el detector de ondas gravitacionales.

El jurado ha reconocido a los científicos por un “descubrimiento que sacudió al mundo”, ha señalado Göran Hansson, secretario general de la Real Academia de Ciencias Sueca, en el momento de anunciar el fallo del jurado.

Se debe destacar que en 1916, hace 100 años atrás, Albert Einstein fue el primero en predecir, de acuerdo a su Teoría General de la Relatividad, la existencia de estas ondas provenientes de los cuerpos más energéticos del cosmos y que liberan parte de su masa en forma de energía a través de ondas gravitacionales, pero a su vez, estaba convencido de que nadie podría detectarlas. Uno se puede imaginar que estos objetos liberan energía en forma de ondas gravitacionales que se expanden por el espacio-tiempo a la velocidad de la luz deformándolo como lo haría una piedra al caer en un estanque. O bien, uno puede ilustrar el espacio–tiempo sin perturbar como una sábana estirada y cuando sobre ella cae una esfera de acero sufre una deformación análoga a la curvatura que experimenta el espacio–tiempo cuando ocurren estos eventos gravitacionales de enorme magnitud y esta deformación es la que se propaga en el universo. Estos cuerpos están tan lejos que, al llegar a la Tierra, sus ondas son tan débiles que no habría tecnología capaz de captarlas, aseguró Einstein, y por ende pensaba que no sería posible detectarlas debido a que se originan demasiado lejos y serían imperceptibles al llegar a la Tierra. Hoy, un grupo de investigadores ha hecho pública la detección por primera vez de las ondas gravitacionales.

Según los expertos, las ondas captadas por los mencionados laboratorios vienen de la colisión de dos agujeros negros, uno 29 veces más grande que el Sol y el otro con un tamaño 36 veces mayor, que crearon un nuevo agujero de 62 veces la masa de nuestra estrella solar.

La primera observación directa de las ondas gravitacionales podría brindar valiosos datos sobre el origen del universo.

Este evento pudo ser “escuchado” por LIGO; y tras varios meses de revisiones y corroboraciones de los datos, se pudo informar y publicar con seguridad que se trata de las ondas gravitacionales, proveniente de los eventos mencionados. Y se debe considerar que su onda expansiva habría viajado por el universo durante 1.300 millones de años hasta ser captada.

Es importante recalcar, que las ondas gravitacionales detectables provienen de eventos como explosiones estelares en supernovas, parejas de estrellas de neutrones y otros sucesos que producen ondas gravitacionales que tienen más energía que billones y billones de bombas atómicas. La fusión de dos agujeros negros súper masivos es la fuente más potente de estas ondas que puede haber, pero estos fenómenos no son muy frecuentes y además suceden a distancias de millones de años luz del Sistema Solar. Para cuando las ondas llegan a nuestro vecindario son tan débiles que detectarlas supone uno de los mayores retos tecnológicos a los que se ha enfrentado la humanidad.

Es importante preguntarse el por qué de la importancia de estos eventos y la respuesta es que abren una nueva era en el conocimiento del universo. Hasta ahora toda la información y conocimiento que tenemos del cosmos, que no supera el 5% de lo que deberíamos saber, se debe a señales y ondas electromagnéticas emitidas en sus diferentes longitudes de onda: rayos gamma y rayos X, ultravioleta, espectro visible, infrarroja, ondas de radio, etc. Las ondas gravitacionales nos darán la posibilidad de ampliar nuestro conocimiento de manera exponencial, y nos permitirá saber qué está pasando en zonas cósmicas que hasta ahora no veíamos nada, por ejemplo, en un agujero negro. Es decir, al día de hoy la mayor parte del universo representa para el conocimiento humano una zona oscura e ignota que está por descubrir y los avances obtenidos en el ámbito de la gravitación nos abren grandes perspectivas.

Hasta el momento, LIGO ha registrado cuatro señales de ondas gravitacionales procedentes de otras tantas fusiones de agujeros negros. La última la ocasionaron dos cuerpos de unas 30 veces la masa del Sol. Fue la primera captada tanto por LIGO como su homólogo europeo, Virgo, dentro del actual proyecto de colaboración internacional en el que participan los tres premiados.

Estas señales desde los confines del cosmos abren una nueva era en la exploración del universo. Por primera vez no se basan en la observación de luz y partículas en todas sus variantes, sino en minúsculas deformaciones del espacio-tiempo, el material del que está hecho el universo, que pueden desvelar las propiedades de cuerpos invisibles para los telescopios convencionales. Se espera que detectores como LIGO sean capaces de detectar también ondas causadas por estrellas de neutrones, púlsares y otros cuerpos. “Es algo completamente nuevo y diferente, que nos abre la puerta a nuevos mundos jamás observados”, ha destacado la academia.

Rainer Weiss (85), Barry C. Barish (81) y Kip Thorne (77). Los ganadores del Premio Nobel de Física 2017.

Las ondas gravitacionales llevan consigo información acerca de sus dramáticos orígenes y sobre la naturaleza de la gravedad que no puede obtenerse de otra manera. Los físicos han llegado a la conclusión de que las ondas gravitacionales detectadas fueron producidas durante la última fracción de segundo de la fusión de dos agujeros negros para producir un solo agujero negro más masivo en rotación. Esta colisión de dos agujeros negros había sido predicha pero nunca antes había sido observada.

Basándose en las señales observadas, los científicos de LIGO estiman que los agujeros negros de este evento eran de unas 29 y 36 veces la masa del Sol, y que el evento tuvo lugar hace 1,3 mil millones de años. Cerca de 3 veces la masa del Sol se convirtió en ondas gravitacionales en una fracción de segundo – con una potencia pico de unas 50 veces la de todo el Universo visible. Comparando los tiempos de llegada de la señal – el detector en Livingston registró el evento 7 milisegundos antes del detector en Hanford – los científicos pueden decir que la fuente se encuentra en el hemisferio sur.

De acuerdo con la relatividad general, una pareja de agujeros negros orbitando uno alrededor del otro pierde energía mediante la emisión de ondas gravitacionales, produciendo un acercamiento gradual entre ambos durante miles de millones de años, y luego mucho más rápidamente en los últimos minutos. Durante la última fracción de segundo, los dos agujeros negros chocan entre sí casi a la mitad de la velocidad de la luz y forman un único agujero negro más masivo, convirtiendo una parte de la masa de ambos en energía, de acuerdo con la fórmula de Einstein E = mc2. Esta energía se emite como una fuerte explosión final de ondas gravitacionales. Estas son las ondas gravitacionales que LIGO ha observado.

La existencia de ondas gravitacionales fue demostrada por primera vez en los años 1970 por Russell Hulse y Joseph Taylor Jr, quienes descubrieron en el año 1974 un sistema binario compuesto de un púlsar orbitando otra estrella, la cual posteriormente se descubrió que era una estrella de neutrones. Descubrieron que la órbita del púlsar estaba encogiéndose lentamente a medida que el tiempo pasaba debido a la emisión de energía en forma de ondas gravitacionales. Por su trabajo, Hulse y Taylor fueron premiados con el premio Nobel el año 1993. El sistema binario Hulse-Taylor se fusionará para formar un agujero negro de aquí a 300 millones de años. En la medición reciente, LIGO observó directamente el modelo de onda gravitacional del final de la vida de un sistema binario compuesto de dos agujeros negros, proporcionando un boceto en el tiempo de las fracciones de segundo finales del sistema binario a medida que se convertía en un agujero negro individual.

Una vez más queda demostrado que el desarrollo del conocimiento va aparejado de decisiones políticas con amplio sentido de una visión de crecimiento donde el saber más juega un rol fundamental. El descubrimiento que se reporta fue posible gracias a las capacidades mejoradas de Advanced LIGO, una importante actualización que aumenta la sensibilidad de los instrumentos en comparación con los detectores LIGO de primera generación, lo que permite un gran aumento del volumen de información del universo explorado y el descubrimiento de las ondas gravitacionales durante su primer periodo de observación. La National Science Foundation de Estados Unidos lidera el apoyo financiero a Advanced LIGO.

También contribuyen significativamente al éxito del proyecto organismos de financiación en Alemania (Sociedad Max Planck), Reino Unido (Consejo de Infraestructuras de Ciencia y Tecnología, STFC) y Australia (Consejo Australiano de Investigación). Varias de las tecnologías clave que hicieron del Advanced LIGO mucho más sensible se han desarrollado y probado por la colaboración internacional. Diversas universidades han diseñado, construido y probado componentes clave para Advanced LIGO: la Universidad Nacional de Australia, la Universidad de Adelaide, la Universidad de Florida, la Universidad de Stanford, la Universidad de Columbia de Nueva York, y la Universidad Estatal de Louisiana.

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