¿El acontecimiento de este año?: GW150914

24/02/2016 0 comentarios
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LIGO detecta en directo la fusión de dos agujeros negros situados a mil trescientos millones de años luz: un logro tecnológico que abre el rango de frecuencias de este nuevo tipo de ondas. 

El pasado jueves 11 de febrero, a las 4:30 de la tarde, expectantes todos los estudiantes y profesores del Instituto de Ciencias del Cosmos de Barcelona, miramos en directo la retransmisión desde la sede de la Fundación Nacional de la Ciencia en EE.UU., National Science Foundation, del descubrimiento de las ondas gravitacionales realizado por el interferómetro LIGO.

Queríamos saber si los rumores que corrían desde hace tiempo se confirmaban. Enseguida vimos cómo eso era así, y los autores (unos mil) del descubrimiento habían esperado medio año desde el suceso hasta su interpretación y publicación en la revista Physical Review Letters para asegurarse de la certeza de su hallazgo.

Este era un logro no solo teórico sino también tecnológico de enorme importancia. La predicción de Einstein de que dos objetos masivos en rotación producirían ondas gravitacionales ya se había confirmado en los años setenta con la observación del púlsar binario PSR B1913+16 que perdía energía en su rotación debido a la emisión de ondas gravitacionales al ritmo predicho por la relatividad general de Einstein. Ello les valió el premio Nobel a Taylor y Hulse en 1993.

A diferencia de esta detección indirecta, la detección de estas ondas gravitacionales provenientes de la fusión de dos agujeros negros, uno de unas 36 y el otro de unas 29 veces la masa del Sol es directa.

El aparato que las ha detectado, LIGO, es un asombroso logro tecnológico. Han sido en realidad dos interferómetros: uno situado en Hanford, Washington y otro en Livingston, Lousiana. Se componen de dos brazos ortogonales de 4 km de distancia por los que, mediante un espejo, se desdobla un haz de luz que luego, al recorrer en sentido contrario el camino y ser focalizados de nuevo en un fotodetector, revelan si ha habido alguna perturbación en la propagación de la luz que se vería como el efecto del impacto de las ondas gravitacionales en el interferómetro. A este efecto se le llama en inglés «strain», que significa distensión, deformación o tensión, como se quiera: se trata de la diferencia relativa entre los brazos ortogonales del interferómetro que ha creado esta perturbación. La diferencia relativa que creó esta perturbación por la fusión de agujeros negros es de tan solo 0,00000000000000000001 (10-21). Este nivel de deformación relativa es increíble. Solo el diseño sofisticado de LIGO lo ha podido alcanzar.

Para no mencionar lo que ya se ha dicho en la prensa, me gustaría añadir alguna información curiosa. Si miramos la Figura 1 que adjunto, que corresponde a la Figura 3 del articulo en Physical Review Letters, la detección ha tenido lugar en el lugar de mejor sensibilidad del interferómetro LIGO, que corresponde a donde estaría la señal de la fusión de dos agujeros negros de unas decenas de veces la masa solar. Estos agujeros negros giran típicamente uno respecto a otro hasta llegar a unas milésimas de segundo antes de fusionarse cayendo su emisión gravitacional en la ventana de 35-350 Hz donde los detectores de LIGO son más sensibles.

Curva de sensibilidad a la detección de una perturbación en forma de deformación (strain) en LIGO con la frecuencia. El fenómeno que se ha detectado está en el mejor punto, en donde el estiramiento mínimo es detectado. Esta figura es del artículo original de <em>Physical Review Letters</em>, vol. 116, 061102.

Agujeros negros mucho más masivos que están en el centro de galaxias y contienen masas de millones de la masa del Sol, al fusionarse se mueven más lentamente en una zona en la que la sensibilidad de LIGO es peor. También es peor la sensibilidad de LIGO para la fusión de agujeros negros de masas como las del Sol. Así que no es raro que se detectara este tipo de fusión con el rango de masas de decenas de masas del Sol para los agujeros negros. Hay que decir que conseguir saber todo esto ha sido producto de las simulaciones de la fusión de distintos agujeros negros de distintas masas utilizando las ecuaciones de Einstein para este proceso de gran implosión. Ellas han sido comparadas con los datos.

En esta Figura 2, que adjunto, que corresponde a la Figura 2 del artículo de Physical Review Letters, se ve la simulación de la señal de esta fusión. La Figura 3, también adjuntada, es una superposición hecha a partir de la Figura 1 del artículo ya mencionado, que muestra los datos reales captados por los dos detectores, el de Hanford en Washington y el de Livingston, Lousiana. La señal es la misma pero hubo una diferencia de 7 milésimas de segundo entre su detección en uno y otro lugar debido a la velocidad finita de la luz.

 Los agujeros negros al acercarse, se fusionan y se produce la señal que se recibe en LIGO. La perturbación es máxima cuando los dos agujeros negros se fusionan. Esta figura es del artículo original de <em>Physical Review Letters</em>, vol. 116, 061102.

¿Cuán frecuente es este suceso? ¿Cuántos detectaremos por año? Para que se vea cuán frecuente es, lo compararé con la frecuencia de explosiones estelares.

Detectamos en nuestras búsquedas de explosiones estelares de origen termonuclear alrededor de varios miles de eventos al año. Pero resulta que el ritmo intrínseco de las fusiones del tipo detectado por LIGO por volumen en el espacio y por año es de diez mil veces (en el límite superior de la estimación) a cientos de miles de veces (límite inferior) menos frecuentes que el de las explosiones estelares (o supernovas) que he mencionado. Eso quiere decir que ¡este puede ser el único suceso del año!

Tendremos que esperar más tiempo para detectar otro igual. Mientras tanto, otros detectores similares a LIGO pueden mejorar su sensibilidad en la zona de más frecuencia de fusión de agujeros negros: los del tamaño del Sol.

El hecho es que una ventana a la observación dentro del espectro de ondas gravitacionales (ya que veremos distintos tipos de sucesos con diferente frecuencia de emisión de las ondas gravitacionales) se ha abierto al mundo. Todo un logro que abre una era de nuevos hallazgos.

Los dos LIGO independientes, el de Livingston y el de Hanford, detectan lo mismo separados por unas 7 milésimas de segundo, lo que tarda en recorrer a la velocidad de la luz la señal desde un interferómetro a otro.