Fecha: 08 Marzo 2016

Título: Ondas gravitatorias

Nivel de alumnos: ESO, Bachillerato

Autor: Marcos Pérez Maldonado

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1. LA NOTICIA
Ondas gravitatorias

Detectada la última hipótesis de la relatividad de Einstein

Detectadas por primera vez ondas gravitacionales

Según la Teoría de la relatividad de Einstein el espacio y el tiempo (es decir, los lugares y los instantes) no son independientes, sino que se combinan como la trama y la urdimbre de un tejido que denominamos espacio-tiempo. La idea es poco intuitiva, pero si queremos atisbar cómo es el universo en que vivimos es necesario hacer un esfuerzo de imaginación.

La metáfora del tejido es buena para entender que la presencia de una masa (un agujero negro, una estrella, un planeta…) deforma el espacio-tiempo del mismo modo que nuestro peso deforma la tela de una cama elástica. Desde esta perspectiva, las masas “curvan” el espacio-tiempo y, recíprocamente, la curvatura del espacio-tiempo le dice a las masas cómo deben moverse. O, por ser más osados, la distribución de las masas define cómo es el espacio: ambos son en el fondo la misma cosa.

Cuando las estrellas giran alrededor del centro galáctico, o los planetas orbitan alrededor del Sol, lo único que hacen es seguir la pendiente de la deformación, del mismo modo que una pelota de golf curva su trayectoria siguiendo las pendientes del green.

La Teoría de la Relatividad ha dado lugar a muchas hipótesis, desde la idea de la expansión del universo hasta la existencia de lentes gravitacionales o agujeros negros. Y una tras otra se han ido verificando con observaciones y experimentos. Todas salvo la que establecía que una perturbación gravitatoria lo suficientemente intensa podría dar lugar a ondas en el espacio-tiempo, similares a las que se producen en la superficie de un estanque cuando tiramos una piedra. En este sentido, la detección por primera vez de ondas gravitacionales en el experimento LIGO constituye una prueba más de la calidad de la teoría de Einstein. Pero además, abre la puerta a la creación de nuevos instrumentos con los que podremos estudiar fenómenos – como las colisiones de agujeros negros – que hasta ahora permanecían fuera de nuestro alcance. A partir de ahora ya no necesitamos “ver” la luz (ya sea visible, infrarroja o rayos X) que emite un fenómeno, sino que podremos intentar “sentir” las ondas que genera en el espacio-tiempo. Como si fuésemos arañas esperando a que las vibraciones en nuestra tela nos avisen de que una nueva presa ha caído en ella.

1. LA NOTICIA

Las ondas gravitacionales ya fueron noticia en la primavera de 2014, cuando los científicos del observatorio BICEP2, ubicado en el Polo Sur, creyeron haber detectado ondas gravitacionales generadas tras el Big Bang, cuya huella se podría encontrar hoy en la radiación cósmica de fondo que baña todo el universo como un eco de la explosión primigenia.

Hallan la huella de la expansión del universo tras su nacimiento

La primera evidencia de la inflación cósmica confirma el «big bang»

18/3/14

Stephen Hawking afirmaba haber ganado una nueva apuesta gracias a este descubrimiento. Su contrincante, Neil Turok, mostraba su escepticismo ante un anuncio que consideraba lejos de ser concluyente.

El hallazgo le permite ganar una apuesta a Stephen Hawking

19/3/14

El autor de este estudio intentaba explicar en una pieza de La Voz de la Escuela la supuesta detección de ondas gravitacionales. A pesar de sus cautelas y condicionales, parecía bastante convencido del hallazgo.

Cuando el universo hizo «bang»

La detección de ondas gravitacionales en la radiación cósmica de fondo confirma la idea de que el universo vivió una expansión extraordinaria en los primeros instantes tras su formación

26/3/14

José Juan Blanco, cosmólogo coruñés que colaboró con uno de los autores del supuesto hallazgo, dio varias conferencias sobre el tema en Galicia.

«Las ondas gravitacionales abren otra forma de ver el universo»

Blanco cree que detectar el primer temblor del cosmos es revolucionario

6/4/14

Un año después, el análisis pormenorizado de los datos obligaba a descartar la detección de aquellas ondas gravitacionales. Un chasco para los autores del “hallazgo”, pero también un buen ejemplo de cómo la ciencia depura sus resultados.

El eco del «big bang» sigue mudo

El análisis conjunto de equipos rivales revela que la señal de las ondas gravitacionales, el primer temblor del universo, se debió a polvo galáctico

3/2/15

Dos años más tarde, las ondas gravitacionales vuelven a los titulares. El periódico da la noticia, incorporando muchos enlaces interesantes. Entre ellos, un video con una entrevista al profesor Javier Mas, de la Universidad de Santiago de Compostela.

¿Qué son las ondas gravitacionales?

La observación directa del fenómeno predicho por Einstein en 1916 puede ayudar a iluminar una gran parte del universo que hasta ahora permanecía oculta para la ciencia

11/2/2016

Como el tema es complejo el periódico opta por incorporar un resumen organizado en preguntas y respuestas, a la manera de los modernos FAQs (frequently asked questions) o los antiguos catecismos.

Las ondas gravitacionales, una nueva ventana al Universo

Preguntas y respuestas para entender qué son y para qué sirven estas «olas en el océano cósmico»

11/2/16

E incluye también las primeras valoraciones de diversos científicos, entre ellos Stephen Hawking, que esta vez no parece haber ganado apuesta alguna.

11/2/16

La noticia parece importante y al día siguiente sale otra pieza.

12/2/16

Y al siguiente una entrevista con Juan Calderón, un científico de Silleda que trabaja con el único equipo español que participa en el proyecto LIGO.

«Las ondas gravitacionales nos ofrecen un viaje a lo desconocido»

Juan Calderón, el físico gallego que participó en la detección de las ondas, asegura que la nueva observación permite testar la teoría de Einstein como nunca se hizo

13//2/16

Días más tarde el periódico entrevista a Alicia Sintes, la cosmóloga que dirige la participación del equipo español que participa en LIGO.

Alicia Sintes: «Podremos descubrir fenómenos que ahora son inimaginables»

La cosmóloga dirigió al único grupo español que participó en la detección de las ondas

21/2/16

Confirmada ya la importancia de la noticia, el periódico hace una interesante semblanza de Kip Thorne, uno de los grandes expertos en la teoría de la relatividad y candidato a un futuro premio Nobel por su participación en la puesta en marcha del proyecto LIGO. El artículo cuenta con declaraciones de José Edelstein, de la Universidad de Santiago de Compostela.

Kip Thorne: embajador de la Relatividad general

Suena como futuro Nobel de Física por ser uno de los fundadores del experimento que observó de forma directa las ondas gravitacionales y que ha permitido corroborar la última predicción de la teoría centenaria.

28/2/16

2. OBJETIVOS
Desarrollar una visión intuitiva del universo tal y como lo describe la Teoría de la Relatividad de Albert Einstein.

Entender el carácter provisional de las teorías y resultados de la ciencia.

Aprender a desarrollar metáforas para comprender conceptos complejos, como las ondas gravitacionales, y adquirir conciencia de las limitaciones de dichas metáforas.

Dar relieve a la presencia de investigadores españoles y gallegos en casi todos los ámbitos en los que se producen noticas de interés científico.

3. CONTENIDOS
GRAVEDAD, LA FUERZA MÁS DÉBIL

A pesar de sus notables efectos (las manzanas caen, los planetas orbitan…) en las escalas pequeñas que podemos manejar en un laboratorio la gravedad es una fuerza muy débil. Los protones son partículas con carga eléctrica que encontramos en todos los núcleos atómicos. Pues bien, la interacción eléctrica entre dos de ellos es muchísimo más intensa que su atracción gravitatoria mutua. Tantas veces como un uno seguido de treinta y nueve ceros.

Además, las estrellas y las galaxias están tan lejos entre sí que la atracción gravitatoria suele estar muy atenuada por la distancia. Por todo ello las ondas gravitacionales son fenómenos muy sutiles, y se necesitan instrumentos increíblemente precisos para detectarlas.

LIGO

Los detectores del Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) están formados por dos brazos de 4 km de longitud dispuestos en forma de L, por los que la luz viaja reflejándose en unos espejos situados en sus extremos. Después de recorrer cada brazo 280 veces, los dos haces de luz vuelven a juntarse y se mide si coinciden exactamente o si uno se ha retrasado respecto al otro. Cuando una onda gravitacional llega a la Tierra altera la geometría del espacio y por tanto recorta el camino de la luz de distinta forma en cada uno de los brazos del instrumento. El resultado es que los dos haces de luz llegan ligeramente desfasados, y la forma en que se desfasan nos indica cómo se originaron las ondas gravitacionales. Como LIGO tiene dos detectores situados a miles de kilómetros de distancia, una señal sólo se dará por buena si ocurre prácticamente de manera simultánea en ambos detectores.

La velocidad de la luz es tan elevada, y la deformación que provocan las ondas gravitacionales es tan pequeña, que LIGO necesita medir con una precisión fabulosa. Sería capaz de detectar una variación del grosor de un cabello humano en una distancia como la que hay de aquí a la estrella más próxima, un recorrido que la luz tarda en hacer más de 4 años.

UN BAILE DE AGUJEROS NEGROS

Las primeras ondas gravitacionales captadas por LIGO tienen su origen en una pareja de agujeros negros que giran uno alrededor del otro hasta fundirse en uno solo. Estos agujeros negros son objetos relativamente pequeños (como dos veces el tamaño de Galicia), pero su materia está tan comprimida que tienen, como en este caso, una masa equivalente a la de 30 de nuestros soles. En el evento detectado por LIGO una cantidad de materia equivalente a la de tres masas solares fue convertidas en un instante en energía en forma de ondas gravitacionales. En el momento álgido del proceso, la energía liberada superaba varias veces toda la luz que emiten conjuntamente todas las estrellas del universo.

La detección de la fusión de estos dos agujeros negros abre la puerta a una nueva forma de observar el universo, cuyos resultados podremos empezar a disfrutar en un futuro próximo. Las ondas gravitacionales viajan a la velocidad de la luz y pueden atravesar las concentraciones de gas y polvo que entorpecen el paso de la radiación en el interior de las galaxias. Los agujeros negros detectados por LIGO se encuentran a 1300 millones de años luz de nosotros, y se calcula que cada año podríamos llegar a observar medio centenar de eventos similares.

4. ACTIVIDADES
Opera LIGO

La mejor forma de entender cómo funciona LIGO es tomar los mandos del instrumento. Puedes hacerlo, de manera virtual, en esta propuesta del American Museum of Natural History.

Ping pong gravitacional

Uno de los primeros juegos diseñados para ordenador permitía al jugador pelotear con una bolita virtual contra la máquina o contra un contrincante humano. Este clásico de las primeras consolas tiene ahora una versión cosmológica. En Black Hole Pong las raquetas han sido sustituidas por agujeros negros, que los jugadores pueden utilizar para alterar la geometría del espacio y pelotear con una estrella.

Aprender en el cine

Las películas y series de televisión que transcurren en el espacio son uno de los lugares donde solemos aprender ciencia, muchas veces sin darnos cuenta de ello. Pero dependiendo de la película, la ciencia que aprendemos será más o menos correcta. ¿Qué motivos crees que pueden llevar a los guionistas, productores y directores a colar flagrantes errores científicos en sus filmes? ¿Puedes hacer alguna propuesta para evitar que esos errores lleguen a las pantallas?

De entre los estrenos de los últimos años podemos destacar Gravity (2013) e Interstellar (2014), dos filmes muy entretenidos que se han esmerado en hacer una representación fiel de fenómenos como la microgravedad o los agujeros negros. Alquila las películas en el videoclub (por ejemplo) y disfrútalas anotando los conceptos que entiendes y los que no te quedan muy claros. ¿Se te ocurre qué hacer con estas dudas?

Cazando agujeros negros

Un juego online en el que puedes aprender a “escuchar” las ondas gravitacionales emitidas por agujeros negros y distinguir sus señales del ruido de fondo

5. RECURSOS
La web del proyecto LIGO contiene abundante información, incluyendo notas de prensa documentales sobre la evolución del proyecto, animaciones y material para profesores y alumnos.

Escoitando o universo

Antes de que LIGO detectara la señal procedente de estos dos agujeros negros en plena fusión, los físicos ya habían estimado qué aspecto deberían tener. Existe, de hecho, todo un catálogo de señales potenciales según el tamaño de los agujeros negros, su posición en el cielo, etc. En esta web puedes “escucharlas” y aprender sobre la gran cantidad de información que contienen.

¿Y en el futuro?

Hacer medidas muy precisas en un planeta tan “movido” como el nuestro no resulta fácil. Por eso los astrónomos están buscando fórmulas para situar detectores de ondas gravitacionales en el espacio. Las primeras pruebas se hicieron en la misión LISA-Pathfinder, con la que la Agencia Espacial Europea está poniendo a prueba la tecnología necesaria para este nuevo tipo de “telescopios gravitacionales”.

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