DETECCIÓN DE ONDAS GRAVITACIONALES

Los primeros intentos para detectar ondas gravitacionales fueron llevados a cabo por  Joseph Weber. Joseph Weber empezó sus estudios en Física a los 29 años, después de haber participado en la Segunda Guerra Mundial. Trabajó un año en el grupo de John Wheeler, llegando a dominar la Relatividad General. Fue en ese entonces, por 1957, cuando decidió que construiría un aparato capaz de detectar la radiación gravitacional.

Después de mucho pensar, se decidió por una barra cilíndrica de aluminio de 2 metros de longitud y medio metro de diámetro. La idea era la siguiente:cualquier sólido  tiene una frecuencia natural de oscilación, que depende, para nuestros propósitos, esencialmente de su tamaño. Si uno perturba la barra (con un leve golpe por ejemplo), esta responderá con una oscilación, que será máxima cuando la perturbación esté afinada a la frecuencia natural de oscilación. Los instrumentos musicales se basan en este principio. Comparemos un violín y un contrabajo, por ejemplo. El violín (pequeño) genera un sonido más agudo que el contrabajo (grande). Si una onda gravitacional con la misma frecuencia de vibración del cilindro llegara a pasar a través de éste, el cilindro vibraría con una amplitud relativamente grande. Weber esperaba poder detectar estas vibraciones.

En ese entonces el estudio sobre ondas gravitacionales era muy reducido, por lo que no mucha gente tenía esperanzas en el experimento de Weber. Por otro lado, Weber no sabía que las vibraciones en el cilindro serían del orden de metros, una magnitud inmensurable en ese entonces.

Una de las grandes limitaciones de este método de detección de ondas gravitacionales es que es muy difícil eliminar el “ruido”, es decir, las vibraciones que se generan a nuestro alrededor y que nada tienen que ver con ondas gravitacionales (por ejemplo, las ondas sísimicas). Por otro lado, no se sabía con certeza de qué orden serían las frecuencias de las ondas gravitacionales, por lo que en vez de usar un solo cilindro, se tenían que usar varios cilindros de distintos tamaños, esperando que la frecuencia natural de alguno coincidiese con la frecuencia a la que llegaran las ondas gravitacionales.

Poco tiempo después de haber empezado su búsqueda, Weber reportó que había detectado ondas gravitacionales. Esto hizo que un número mucho más grande de científicos se concentraran en la tarea de la detección de ondas gravitacionales. Ninguno pudo confirmar los resultados de Weber, y ahora sabemos que las señales que recibió se debían probablemente al ruido de fondo. Sin embargo, ya la atención estaba fija en la detección de ondas gravitacionales alrededor del mundo.

Debido a que con los detectores de barra no se estaban obteniendo los resultados esperados en la detección de ondas gravitacionales, se empezaron a buscar otras alternativas.
En 1962 dos rusos, Mikhail Gertsenshtein y V.I. Pustovoit idearon un nuevo método de detección: detectores interferométricos de ondas gravitacionales.

La interferencia es un fenómeno ondulatorio. Cuando dos o más ondas se propagan en la misma región del espacio, las contribuciones de ambas se suman. Por ejemplo si el valle de una onda coincide con la cresta de otra, éstas se cancelarían, dándose una interferencia negativa. Si por el contrario coinciden dos crestas, la amplitud de la onda aumentaría, dándose una interferencia positiva.

Basándose en este fenómeno, se pueden hacer medidas muy precisas sobre la diferencia de camino recorrido entre dos ondas. Para llevar a cabo estas medidas se usan aparatos llamados interferómetros.

La idea para aplicar la interferometría a la detección de ondas gravitacionales es muy simple. Supongamos que tenemos un interferómetro en forma de L .Como ya se mencionó antes, las fuerzas de marea generadas por las ondas gravitacionales estirarían uno de los brazos de la L (el brazo L1) y encogerían el otro (L2). Al oscilar la onda gravitacional se invertiría el efecto, es decir, se encogería L1 y se estiraría L2. Ahora, supongamos que tenemos un haz de láser dividido entre los dos brazos de L. Al variar las distancias de los brazos de la L debido a la presencia de ondas gravitacionales, el haz de luz del láser presentará interferencia. Midiendo esta interferencia es posible encontrar el cambio en la longitud de los brazos provocada por las ondas gravitacionales.

También ya se mencionó antes que las ondas gravitacionales perturban al medio que atraviesan en una escala muy pequeña. Es por esto que los interferómetros necesarios para su detección tienen que ser muy grandes, en donde las longitudes de los brazos tienen que ser del orden de kilómetros. En EUA ya se construyeron dos detectores interferométricos de ondas gravitacionales, llamados LIGO (Laser Interferometric Gravitational wave Observatory). Uno de ellos fue construido en Hanford, Washington y otro en Livingston, Luisiana. En estos detectores la luz viaja por brazos de 4 kilómetros de largo, en túneles donde se ha hecho un vacío casi perfecto. Al final de cada túnel hay una masa cubierta con una capa reflectora, suspendida con un dispositivo que filtra gran parte de las vibraciones del exterior.

En Europa, cerca de Pisa, Italia, se construye otro interferómetro con el mismo principio, VIRGO, con brazos de 2 kilómetros de largo.
Estos aparatos ya están funcionando, y se encuentran en la etapa inicial de calibración y ajuste. Se espera que en los próximos años se pueda reducir el nivel de ruido lo suficiente como para hacer una detección directa de ondas gravitacionales.

A pesar de que aún no se tiene evidencia directa de estas ondas gravitacionales, dos astrónomos, Joseph Taylor y Russell Hulse, probaron la existencia de ondas gravitacionales mediante observaciones astronómicas en 1793. Por medio de un radiotelescopio, ellos encontraron dos estrellas de neutrones, una de ellas es un pulsar, orbitándose mutuamente con un periodo de 8 horas. Las estrellas se encuentran tan cerca una de la otra, que mediante medidas muy precisas con instrumentos de radio, comprobaron que la distancia entre las estrellas  está disminuyendo progresivamente, haciendo que éstas sigan una trayectoria espiral al ritmo descrito por las ecuaciones de Einstein con altísima precisión (como se puede observar en la figura, las barras de error son casi imperceptibles). Este efecto de espiral se debe a la liberación continua de ondas gravitacionales hacia el espacio. Debido a este descubrimiento, y a su corroboración con la teoría a lo largo de los años, Taylor y Hulse recibieron el Premio Nobel en 1993.

 

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