Ondas Gravitacionales

Ondas gravitacionales: El espacio-tiempo como estructura teórica

Por: Mou D. Khamlichi
Actualizado el 8 de junio de 2021
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La filosofía y la ciencia, dos conjuntos de razonamientos que agrupan para el hombre y su interrelación con el universo, la explicación de los eventos. Entre ellos, la confirmación de la presencia de ondas gravitacionales, que ha sido una de las revelaciones más trascendentales de nuestra historia y con claro impacto en la posterioridad.

Como exponente de la filosofía: Séneca, de quien se hace paráfrasis sobre una de sus expresiones sobre el descubrimiento, las épocas y nuestro universo; él alude que de no existir cada día nuevos elementos para investigar e insertar en los saberes de la civilización, seríamos parte de un universo muy limitado.

Y sobradas razones y pruebas existen para demostrar que no es así, no solo por el universo mismo, sino por el hombre y sus capacidades. Además, por su intensa búsqueda del conocimiento y la comprobación de la verdad, con metodología y método de ciencia, con fascinante tenacidad y cooperación entre diversas disciplinas.

En la presente entrega, se detallarán diversos elementos sobre las ondas gravitacionales, abordando a sus protagonistas de entonces y ahora. Tratando de traducir en un lenguaje llano y sencillo, la extraordinaria y maravillosa riqueza de nuestro universo; y aquellos enigmas ya conquistados y por conquistar. 

En búsqueda del conocimiento: Primeras pistas de las ondas gravitacionales

Saber de ondas gravitacionales implica tener presente que va asociado a conceptos como gravedad, el “espacio – tiempo”, oscilaciones, relatividad y a la rapidez de la luz. También, conocer sobre ellas implica asumir la impostergable necesidad del ser humano por hacer del universo algo comprensible siempre, con los recursos que disponga.

Ejemplo de ello, los antiguos griegos, quienes comprendían la gravedad como el regreso de los cuerpos a la esencia que les correspondía. Ellos dividieron el mundo en: tierra, aire, agua y fuego, de modo que si una roca caía al suelo (tierra), se debía al regreso a su elemento natural.

Y aunque lo anterior fue incorrecto, muestra la búsqueda de las explicaciones, tal y como siglos después emulara Nicolás Copérnico. Él formuló, con un modelo matemático predictivo, la teoría heliocéntrica, la cual explica los movimientos del sistema solar, colocando en el centro al Sol y no a la Tierra.

Gracias a Galileo y su telescopio, se empezaron a observar y estudiar los cuerpos celestes, generando progresivamente descubrimientos y evolución técnica en los instrumentos ópticos. Por ejemplo: Hubble demostró en 1920 que el Sol no es el centro del universo, sino que integra un conjunto mucho más grande: la galaxia.

Newton: interacción gravitatoria y fuerza

Isaac Newton: las ondas gravitacionales son intrínsecas a la gravedad y ella, a Isaac Newton. Físico y matemático inglés, autor de Principia donde describe la ley de la gravitación universal, incorporando conceptos de interacción gravitatoria y fuerza, que significó una aproximación cierta a la realidad y forma de estudio.

Y esto, comprende dos afirmaciones:

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  • Dos cuerpos sienten fuerza de atracción en proporción a su masa y la misma se reduce con la distancia entre los dos cuerpos.
  • La misma fuerza que hace caer una manzana del árbol, es la misma que mantiene a la Luna en órbita alrededor de la Tierra; y a los planetas en órbita alrededor del Sol.

Einstein y el universo entre relatividades

Albert Einstein profetizó la presencia de las ondas gravitacionales e introdujo para 1905 la relatividad especial como teoría. Como resultado de la observación de la rapidez de la luz  y de estudiar todas las consecuencias del principio de relatividad de Galileo; determinando como velocidad máxima de transmisión, la velocidad de la luz.

Mientras que para Newton la fuerza de la gravedad se propaga instantáneamente, para Einstein nada puede propagarse a velocidad superior a la de la propia luz. Precisamente, propone una nueva teoría: relatividad general entre 1915 y 1916, para probar la contradicción de su teoría respecto a la de Newton.

Construyendo la  diferenciación, la teoría Newtoniana sostiene que la interacción entre dos cuerpos a distancia, se realiza a velocidad infinita. Para la teoría de la relatividad general, la interacción gravitatoria trasciende con velocidad finita, es decir; en la exacta medida de propagación de la luz, el esquema bidimensional espacio – tiempo.

Entre dimensiones nos vemos

Las dimensiones son formas de medir una determinada dirección, y tendrán alcances según la ciencia que las estudie. En matemática hay tres alusivas al espacio y una al tiempo. Si dibujáramos un cubo, veríamos las tres: primera (punto), segunda (forma cuadrada), tercera (réplica del cuadrado al fondo, unido por puntos).

En física teórica, puede haber hasta once dimensiones: diez para espacio y solo una para tiempo. Esto, basado en la teoría de cuerdas (1974), la cual busca unificar las teorías relatividad con mecánica cuántica y, aunque no es parte del análisis en esta entrega, era importante la reiteración científica: espacio – tiempo.

Espacio-tiempo y la onda gravitatoria

Para Einstein, la gravedad siempre estuvo unida al espacio-tiempo, en todo momento y en todas partes. Esta universalidad, la propuso estableciendo a la geometría como nexo de unión; explicando así que: en presencia de una masa, el espacio–tiempo se deforma y ello provoca trayectorias distintas para otras masas.

La representación de esa deformación es la onda gravitatoria, como consecuencia de la acción de un cuerpo masivo acelerado. Es una onda invisible, veloz (viaja a 299.792,458 Km/s), capaz de contraer y estirar todo lo que encuentra. Y potente, cuando es creada por objetos que se mueven a velocidad alta.

El comienzo de una onda gravitatoria ocurre por: la desigual detonación de un astro o supernova, la órbita conjunta o entre sí de dos astros o de dos hoyos negros. Pero, que se fusionan siendo ambos espacio finito, denso y del que ninguna partícula material (incluida la luz), puede escapar.

La interpretación de esa deformación en el espacio y tiempo genera geometrías y comportamientos diferentes. Estos son la curvatura espacio-tiempo, que influye sobre la forma de propagar los rayos de luz y del transcurrir del tiempo (despacio o lento); según el punto que ocupe respecto a la fuerza de gravedad.

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Ondas gravitacionales: disciplinas de investigación

Las investigaciones de las ondas gravitacionales se agrupan en cuatro grandes áreas:

  • Relatividad Matemática. Estudio de propiedades matemáticas de las soluciones halladas en fórmulas de la relatividad general como teoría.
  • Estudios numéricos de fenómenos físicos. Para producir ondas utilizando las computadoras.
  • Trabajos experimentales. El objetivo es descubrir las ondas.
  • Cosmología y astrofísica. El objetivo es extraer datos sobre la estructura del universo, a través de la irradiación gravitacional.

La naturaleza, las interacciones fundamentales y el espacio-tiempo

Para seguir construyendo nuestra comprensión al respecto de ondas gravitacionales, es preciso referir que en la naturaleza existen cuatro interacciones fundamentales:

  • Electromagnética. Largo alcance.
  • Débil. Muy corto alcance.
  • Fuerte. Muy corto alcance.
  • Gravitatoria. Largo alcance.

Entre la interacción electromagnética y gravitatoria, ésta última resulta tener superior escala de alcance, a pesar de ser muy pequeña respecto a la electromagnética. Lo anterior se manifiesta porque el cosmos es en esencia, eléctricamente neutro, figurando así que la gravedad es disímil a las otras tres interacciones fundamentales.

Diferenciando las ondulaciones gravitatorias de las electromagnéticas

Entre las particularidades de las ondulaciones gravitatorias encontramos:

  • El grueso del cuerpo las emite. (El todo).
  • Transmite una información integral.
  • Son oscilaciones del propio espacio–tiempo.
  • Al propagarse por el medio interestelar no son dispersadas por ningún tipo de materia.
  • Pueden propagarse en grandes distancias sin sufrir grandes alteraciones. En tal sentido, al ocurrir un evento, las ondas gravitatorias suministran importantes datos sobre el medio interestelar.
  • Variaciones de tipo cuadrupolar en la atracción gravitatoria, dan origen a la irradiación.

Por su parte las ondulaciones electromagnéticas implican:

  • Átomos individuales de un cuerpo masivo, es quien las emiten. (Una parte del todo)
  • Transmiten una información específica.
  • Son oscilaciones del campo electromagnético que se transmiten en el espacio y tiempo.
  • Al propagarse en el medio interestelar, son absorbidas y dispersadas por la materia.
  • Variaciones del tipo dipolar en el campo electromagnético, dan origen a la irradiación.

Resonante e interferométricos: la emisión y localización de ondas gravitatorias

Hasta ahora se han desglosado características teóricas y técnicas sobre ondas gravitacionales, para su análisis y comprensión. Ahora, es tiempo de precisar las señales de manifestación y los pronósticos de descubrimiento; siendo fundamental recordar que el principio de radiación dentro del campo gravitatorio, ocurre a partir de variaciones cuadrupolares.

Tales variaciones se manifiestan en pequeñas montañas de astros de neutrones, produciendo la irradiación gravitatoria verificable. La estimación que sugiere el 1% de la cantidad astral de nuestra galaxia está conformada por estrellas de neutrones y  teniendo frecuencia de rotación cercana a 300 Hz; implica un pronóstico optimista.

Quien dio inicio a los estudios para la  localización de ondas gravitacionales fue Joseph Weber, quien construyó un tipo de dispositivo que hoy se conoce como detector resonante. El cual consiste en un cilindro de aluminio de masa (cercano a una tonelada) e implica, el uso de técnicas criogénicas para reducción de ruido térmico.

También y como alternativa, están los detectores interferométricos que son capaces de detectar cambios de posición relativos entre masas situadas en direcciones perpendiculares. Para descubrir una onda gravitatoria se requiere de una extensión de brazos, similar a la prolongación de la onda que se quiere observar.

Descubrimiento evolutivo: Los primeros pasos

Lo que hoy se conoce sobre las ondas gravitacionales es producto de los aportes de grandes investigadores. A continuación, un resumen cronológico de ellos:

  • 1915. Ecuaciones definitivas del campo gravitatorio por Einstein.
  • 1916. Fundamentos de teoría linealizada por Einstein, en la cual hizo predicción sobre la existencia de ondas gravitacionales en el régimen linealizado.
  • 1930. Primeros ejemplos teóricos de ondas en la totalidad de la teoría.
  • 1960. a) Introducción de los Métodos Globales de Penrose, que sentó las bases de la visión moderna del tema. También, en esta década se dan: b) los primeros intentos para realizar simulaciones numéricas para la obtención de ondas y, c) Weber inicia los primeros intentos de revelación de estas ondas.
  • 1979. Y años posteriores, se construyen métodos de geometría diferencial  y análisis funcional, para analizar las características matemáticas de ondas.
  • 1990. Se obtienen los primeros perfiles de onda realísticos, producto de las simulaciones con computadoras.
  • 1993. Observaciones del Pulsar PSR1913+16 por Hulse y Taylor, quienes demuestran la merma de energía por emanación de ondas gravitacionales. Este hallazgo les hizo merecedores al Premio Nobel.

Alianza de recursos y ciencia: La búsqueda persiste

En el mundo existen diversos proyectos científicos para la localización de las ondas gravitacionales:

  • El Proyecto LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory, en Estados Unidos). Está conformado por dos detectores interferométricos de 4km y uno de 2 km.
  • Proyecto VIRGO (Italia). Está conformado por un detector de 3 km.
  • Proyecto GEO600 (Alemania y Reino Unido). Está conformado por un detector de 600 m.
  • Proyecto TAMA300 (Japón): está conformado por un detector de 300m.
  • Proyecto LISA (Espacio). Proyecto europeo iniciado en 2010 y creado con el objetivo de construir un detector interferométrico para captar variaciones de amplitud de onda, con precisión llevada al tamaño de un átomo. En 2015, fue lanzada la primera pieza, el “Pathfinder” que está ubicado en punto estacionario respecto al Sol y a la Tierra.

Ondas gravitacionales: Finalmente la gran comprobación

Un siglo más tarde a la teoría de Einstein, específicamente el día 14 del noveno mes del 2015, se alcanza la primera observación franca de ondas gravitacionales. Logrando así demostrar las fluctuaciones en el espacio–tiempo y marcando el nuevo contexto; que nos encamina en aprender del universo por medio de estas ondulaciones y no exclusivamente de las ondas de luz.

La observación fue posible gracias a equipos tecnológicos dispuestos (detectores interferométricos) y a los científicos. La comprobación fue realizada por LIGO, VIRGO y GEO600; quienes luego de validar de forma conjunta la autenticidad de la localización, la anunciaron al mundo el 11 de febrero del año 2016. Confirmando así, el orden teórico de Einstein.

La publicación de los expertos se refirió a la captación comprobada por la colisión de dos hoyos negros, los cuales siendo más grandes respecto al Sol: veintinueve veces más (el primero) y treinta y seis veces más (el segundo), crearon uno nuevo: sesenta y dos veces más grande que el Sol.

Ondas gravitacionales ¿Qué esperar del futuro?

Se investigará con mayor certeza y exactitud sobre lo percibido y por revelar, analizando su impacto en la totalidad y el cosmos. Estaremos ante equipos más avanzados, capaces de relacionar señales y sonidos con una eficacia tres veces más alta de lo habitual, cubriendo mayores distancias y mayor capacidad de detección.

Todo esto traerá mayor discernimiento de nuestro cosmos, desde la fuente misma de su esencia y con las variaciones imperecederas del tiempo y del espacio. Desde la primera comprobación, VIRGO y LIGO han captado alrededor de cincuenta ondas gravitacionales adicionales por fusión de hoyos negros o astros de neutrones.

En septiembre 2020 anunciaron el hallazgo de la onda (GW190521) por unión de dos hoyos: uno de masa estelar y otro supermasivo. Sin embargo, análisis posteriores de físicos en España en febrero 2021 (intrigados por el tipo de masas implicadas), aplicaron modelos de estrellas de bosones, mostrando concordancia.

Estas ondas gravitacionales probarían la preexistencia de estrellas bosones catalogadas por la física teórica como “objetos hipotéticos”. Adicionalmente, podría significar y con base en las características propias de estos objetos (oscuras, compactas e imitadoras de hoyos negros); la ocasión de formar parte del 27% de materia oscura que conforma el universo.

Un ciclo infinito, como el universo mismo

Como se ha visto, el estudio e investigación sobre ondas gravitacionales escudriñará incansablemente para obtener nuevos hallazgos y comprobaciones. El futuro nos alcanza, es presente, mañana y no cesa.

En palabras del propio Einstein: “Todo el que desarrolla concienzudamente una investigación científica se convence de que existe cierto espíritu manifiesto en las leyes del universo, inmensamente superior al hombre”.

Lo importante entonces siempre será ser fieles a nuestra fascinante tenacidad y entrega para lograr evolución.

Referencias:

https://spaceplace.nasa.gov/gravitational-waves/sp/

https://es.wikipedia.org/wiki/Onda_gravitatoria#:~:text=%E2%80%8B%20La%20detecci%C3%B3n%20de%20ondas,teor%C3%ADa%20de%20la%20relatividad%20general.&text=Las%20ondas%20gravitatorias%20constituyen%20fluctuaciones,la%20velocidad%20de%20la%20luz.

https://es.wikipedia.org/wiki/Detecci%C3%B3n_de_ondas_gravitacionales

https://es.wikipedia.org/wiki/Astronom%C3%ADa_de_onda_gravitacional

www.scielo.org.mx/pdf/rmf/v49n4/v49n4a16.pdf

www.bbc.com/mundo/especial-45283735

www.bbc.com/mundo/noticias-53952054

www.astrofisicayfisica.com/2016/02/10-cosas-que-todo-el-mundo-deberia.html?m=1

 www.iac.es/cosmoeduca/gravedad/temas/g1general.htm

www.fayerwayer.com/2020/10/dimensiones-cuantas-son/

www.elmundo.es/ciencia-y-salud/ciencia/2021/02/24/60364764fc6c835d518b4587.html


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