El día oficial del descubrimiento (detección) de ondas gravitacionales es el 11 de febrero de 2016. Fue entonces, en una conferencia de prensa en Washington, que los líderes de la colaboración LIGO anunciaron que un equipo de investigadores había logrado registrar este fenómeno por primera vez en la historia de la humanidad.
Profecías del gran Einstein
Incluso a principios del siglo pasado (1916), Albert Einstein sugirió que las ondas gravitacionales existen en el marco de la Teoría General de la Relatividad (RG) formulada por él. Uno solo puede maravillarse con las brillantes habilidades del famoso físico, quien, con un mínimo de datos reales, pudo sacar conclusiones de tan largo alcance. Entre los muchos otros fenómenos físicos predichos que se confirmaron en el siglo siguiente (frenar el flujo del tiempo, cambiar la dirección de la radiación electromagnética en los campos gravitatorios, etc.), no fue posible detectar prácticamente la presencia de este tipo de ondas. interacción de los cuerpos hasta hace poco.
¿La gravedad es una ilusión?
En general, a la luzLa teoría de la relatividad difícilmente puede llamar fuerza a la gravedad. Esta es una consecuencia de la perturbación o curvatura del continuo espacio-tiempo. Un buen ejemplo que ilustra este postulado es un trozo de tela estirada. Bajo el peso de un objeto masivo colocado sobre dicha superficie, se forma un hueco. Otros objetos que se mueven cerca de esta anomalía cambiarán la trayectoria de su movimiento, como si fueran "atraídos". Y cuanto mayor sea el peso del objeto (cuanto mayor sea el diámetro y la profundidad de la curvatura), mayor será la "fuerza de atracción". Cuando se mueve a través de la tela, puede observar la aparición de una "onda" divergente.
Algo similar sucede en el espacio mundial. Cualquier materia masiva que se mueva rápidamente es una fuente de fluctuaciones en la densidad del espacio y el tiempo. Onda gravitacional con una amplitud significativa, formada por cuerpos con masas extremadamente grandes o cuando se mueven con grandes aceleraciones.
Características físicas
Las fluctuaciones de la métrica del espacio-tiempo se manifiestan como cambios en el campo gravitatorio. Este fenómeno también se llama ondas de espacio-tiempo. La onda gravitacional actúa sobre los cuerpos y objetos encontrados, comprimiéndolos y estirándolos. Los valores de deformación son muy pequeños, alrededor de 10-21 del tamaño original. Toda la dificultad de detectar este fenómeno radicaba en que los investigadores tenían que aprender a medir y registrar dichos cambios con la ayuda del equipo adecuado. El poder de la radiación gravitacional también es extremadamente pequeño: para todo el sistema solar esunos pocos kilovatios.
La velocidad de propagación de las ondas gravitacionales depende ligeramente de las propiedades del medio conductor. La amplitud de la oscilación disminuye gradualmente con la distancia desde la fuente, pero nunca llega a cero. La frecuencia se encuentra en el rango de varias decenas a cientos de hercios. La velocidad de las ondas gravitacionales en el medio interestelar se acerca a la velocidad de la luz.
Evidencia circunstancial
Por primera vez, la confirmación teórica de la existencia de ondas de gravedad fue obtenida por el astrónomo estadounidense Joseph Taylor y su asistente Russell Hulse en 1974. Estudiando las extensiones del Universo utilizando el radiotelescopio del Observatorio de Arecibo (Puerto Rico), los investigadores descubrieron el púlsar PSR B1913 + 16, que es un sistema binario de estrellas de neutrones que giran alrededor de un centro de masa común con una velocidad angular constante (un caso bastante raro). Cada año, el período de revolución, que originalmente era de 3,75 horas, se reduce en 70 ms. Este valor es bastante consistente con las conclusiones de las ecuaciones GR que predicen un aumento en la velocidad de rotación de tales sistemas debido al gasto de energía para la generación de ondas gravitacionales. Posteriormente, se descubrieron varios púlsares dobles y enanas blancas con un comportamiento similar. Los radioastrónomos D. Taylor y R. Hulse recibieron el Premio Nobel de Física en 1993 por descubrir nuevas posibilidades para estudiar los campos gravitatorios.
Ola de gravedad escapada
Primera afirmación sobreLa detección de ondas de gravedad provino del científico de la Universidad de Maryland Joseph Weber (EE. UU.) en 1969. Para estos fines utilizó dos antenas gravitatorias de su propio diseño, separadas por una distancia de dos kilómetros. El detector resonante era un cilindro de aluminio de dos metros de una pieza bien vibrado equipado con sensores piezoeléctricos sensibles. La amplitud de las fluctuaciones supuestamente registradas por Weber resultó ser más de un millón de veces mayor que el valor esperado. Los intentos de otros científicos que utilizan dicho equipo para repetir el "éxito" del físico estadounidense no dieron resultados positivos. Unos años más tarde, el trabajo de Weber en esta área fue reconocido como insostenible, pero dio impulso al desarrollo de un "boom gravitacional" que atrajo a muchos especialistas a esta área de investigación. Por cierto, el propio Joseph Weber estuvo seguro hasta el final de sus días de haber recibido ondas gravitacionales.
Mejora de equipos de recepción
En los años 70, el científico Bill Fairbank (EE. UU.) desarrolló el diseño de una antena de ondas gravitacionales enfriada con helio líquido utilizando SQUID, magnetómetros supersensibles. Las tecnologías que existían en ese momento no permitían al inventor ver su producto, realizado en "metal".
El detector gravitacional Auriga fue fabricado de esta manera en el Laboratorio Nacional Legnard (Padua, Italia). El diseño se basa en un cilindro de aluminio-magnesio de 3 metros de largo y 0,6 m de diámetro Un dispositivo receptor de 2,3 toneladassuspendido en una cámara de vacío aislada enfriada casi hasta el cero absoluto. Se utilizan un resonador de kilogramos auxiliar y un complejo de medición basado en computadora para fijar y detectar vibraciones. Sensibilidad declarada del equipo 10-20.
Interferómetros
El funcionamiento de los detectores de interferencia de ondas gravitacionales se basa en los mismos principios que el interferómetro de Michelson. El rayo láser emitido por la fuente se divide en dos flujos. Después de múltiples reflexiones y viajes a lo largo de los hombros del dispositivo, las corrientes se juntan nuevamente y la imagen de interferencia final se usa para juzgar si alguna perturbación (por ejemplo, una onda gravitatoria) afectó el curso de los rayos. Se han creado equipos similares en muchos países:
- GEO 600 (Hannover, Alemania). La longitud de los túneles de vacío es de 600 metros.
- TAMA (Japón) 300m hombros
- VIRGO (Pisa, Italia) es un proyecto conjunto franco-italiano lanzado en 2007 con túneles de 3 km.
- LIGO (EE. UU., costa del Pacífico), a la caza de ondas de gravedad desde 2002.
Vale la pena considerar el último con más detalle.
LIGO avanzado
El proyecto fue iniciado por científicos del Instituto Tecnológico de Massachusetts y el Instituto Tecnológico de California. Incluye dos observatorios separados por 3 mil km, en los estados de Luisiana y Washington (las ciudades de Livingston y Hanford) con tres interferómetros idénticos. Longitud del vacío perpendiculartúneles es de 4 mil metros. Estas son las mayores estructuras de este tipo actualmente en funcionamiento. Hasta 2011, numerosos intentos de detectar ondas de gravedad no dieron ningún resultado. La importante modernización realizada (Advanced LIGO) incrementó en más de cinco veces la sensibilidad de los equipos en el rango de 300-500 Hz, y en la región de bajas frecuencias (hasta 60 Hz) en casi un orden de magnitud, alcanzando un valor tan codiciado de 10-21. El proyecto actualizado comenzó en septiembre de 2015 y el esfuerzo de más de mil colaboradores se vio recompensado con resultados.
Ondas de gravedad detectadas
El 14 de septiembre de 2015, detectores LIGO avanzados con un intervalo de 7 ms registraron ondas gravitacionales que llegaron a nuestro planeta desde el fenómeno más grande que ocurrió en las afueras del Universo observable: la fusión de dos grandes agujeros negros con masas. 29 y 36 veces la masa del Sol. Durante el proceso, que tuvo lugar hace más de 1.300 millones de años, se gastaron unas tres masas solares de materia en la radiación de ondas de gravedad en cuestión de fracciones de segundo. La frecuencia inicial de las ondas gravitacionales se registró en 35 Hz y el valor máximo máximo alcanzó los 250 Hz.
Los resultados obtenidos se sometieron repetidamente a una verificación y procesamiento exhaustivos, y se eliminaron cuidadosamente las interpretaciones alternativas de los datos obtenidos. Finalmente, el 11 de febrero del año pasado, se anunció a la comunidad mundial el registro directo del fenómeno predicho por Einstein.
Hecho que ilustra el titánico trabajo de los investigadores: la amplitud de las fluctuaciones en las dimensiones de los brazos del interferómetro fue de 10-19m - este valor es mucho más pequeño que el diámetro de un átomo ya que es más pequeño que una naranja.
Otras perspectivas
El descubrimiento confirma una vez más que la Teoría General de la Relatividad no es solo un conjunto de fórmulas abstractas, sino una mirada fundamentalmente nueva a la esencia de las ondas gravitacionales y la gravedad en general.
En futuras investigaciones, los científicos tienen grandes esperanzas puestas en el proyecto ELSA: la creación de un interferómetro orbital gigante con brazos de unos 5 millones de kilómetros, capaz de detectar incluso pequeñas perturbaciones de los campos gravitatorios. La intensificación del trabajo en esta dirección puede decir mucho sobre las principales etapas en el desarrollo del Universo, sobre procesos que son difíciles o imposibles de observar en las bandas tradicionales. No hay duda de que los agujeros negros, cuyas ondas gravitacionales se arreglarán en el futuro, dirán mucho sobre su naturaleza.
Para estudiar la radiación gravitacional reliquia, que puede informar sobre los primeros momentos de nuestro mundo después del Big Bang, se requerirán instrumentos espaciales más sensibles. Tal proyecto existe (Big Bang Observer), pero su implementación, según los expertos, es posible no antes de 30-40 años.
