NeoFronteras

Alternativa a la detección de ondas gravitatorias

Área: Espacio — sábado, 18 de julio de 2015

Proponen usar a las propias estrellas como detectores de ondas gravitatorias.

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Hace unos días vimos por aquí los esfuerzos que se han realizado para actualizar los detectores de ondas gravitatorias LIGO. Pero si Ilídio Lopes (Universidad de Lisboa) y Joseph Silk (Johns Hopkins University) tienen razón, quizás no sea necesario esperar a que se produzca un evento gravitatorio energético para que LIGO detecte las ondas gravitacionales.
Las ondas gravitacionales se desprenden de manera natural de la Relatividad General. De la misma manera que una carga eléctrica acelerada emite ondas electromagnéticas, una masa acelerada produce ondas gravitacionales. Pero las ondas gravitacionales no son ondas que se transmitan dentro del espacio, como les pasa a las electromagnéticas, sino que son distorsiones en propagación del propio espacio.
Pero estas ondas son tan débiles que se necesitan fenómenos cataclísmicos cercanos para poder detectarlas directamente al límite de la tecnología actual. Las explosiones de supernovas o la colisión de estrellas de neutrones, por ejemplo, generarían ondas gravitacionales que aquí veríamos como una contracción de una fracción del tamaño de un protón sobre una escala de 1 km.
Uno de los métodos empleados para su detección es un sistema interferométrico. Un haz láser recorre varias veces los dos brazos en forma de L de un interferómetro hasta que se le hace interferir consigo mismo. Si un frente de ondas gravitacionales pasa por el dispositivo alargará y contraerá los brazos de tal modo que, aunque sea en una distancia minúscula, su efecto acumulado haga cambiar el patrón de interferencia. Pero este camino recorrido puede que no sea suficiente. ¿Y si usamos una estrella como sistemas de detección?, al fin y al cabo el diámetro estelar será mayor que cualquier LIGO que construyamos.
Pero detectarlas a lo bruto no es posible, hay que usar algún truco. En este caso se trata de observar las oscilaciones de la estrella.
Las estrellas como el Sol vibran o resuenan de una manera similar a como lo hace un tambor o una guitarra. Eso nos permite saber qué es lo que está pasando en su interior y cómo es su estructura. Esta técnica se conoce como astrosismología. Incluso sirve para saber mejor si hay o no exoplanetas orbitando la estrella cuando se usa el método de tránsito.
Pero estas oscilaciones se pueden ver afectadas por la llegada de un frente de ondas gravitacionales que deformen la estrella. Sería como deformar un violín y deducir esto a partir de los sonidos desafinados que produce.
Bajo este punto de vista, las estrellas se pueden ver como los instrumentos de una gran orquesta diseminada por el espacio. Las ondas gravitacionales en propagación irían afectando las oscilaciones de todas ellas por turno y se podría obtener un patrón 3D de lo que está ocurriendo si fuéramos capaces de detectarlo. Quizás se pueda hacer algo más modesto.
Las ondas gravitatorías emitidas se darían en una frecuencia determinada, por lo que afectarían a cada estrella de un modo ligeramente distinto. Incluso esta frecuencia podría llegar a ser la propia de la resonancia de la estrella, por lo que se vería afectada en gran medida, quizás lo suficiente como para que nosotros lo podamos detectar ya.
Según Lopes lo ideal sería tener un sistema estelar triple para poder detectar el fenómeno, con dos enanas blancas orbitando muy cerca entre sí y una gigante roja relativamente cerca. Las enanas blancas estarían generando ondas gravitacionales que afectarían a la gigante roja y analizando las vibraciones de esta última se podrían detectar las tan ansiadas ondas. Para ello se necesitaría observarla con altísima precisión. Además, se necesitaría un poco de suerte.
La próxima generación de telescopios dedicados a la detección de exoplanetas por tránsito posiblemente tengan la precisión necesaria y al observar muchas estrellas puede que la suerte también se tenga.
Aunque quizás LIGO se adelante después de todo, ya que puede llegar a operar a su máxima precisión antes de que esa nueva generación de telescopios esté en el espacio.

Copyleft: atribuir con enlace a http://neofronteras.com/?p=4733

Fuentes y referencias:
Artículo original.
Ilustración: NASA.

Salvo que se exprese lo contrario esta obra está bajo una licencia Creative Commons.
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10 Comentarios

  1. tomás:

    Pues me tiene alterado este tema. Voy a exponer, como en mis comentarios del artículo “Actualizan Ligo”, mi concepto de las ondas gravitacionales. Para que la cosa quede clara: “… son distorsiones del propio espacio en propagación”, frase última del párrafo 3º del citado artículo, y siempre lo he entendido así, aunque en mis analogías con el sonido -precedidas de otras similares en el artículo- mi buen amigo “lluís” se empeñó en interpretarme mal, y Neo hizo alguna puntualización: “Aunque puede haber ondas sonoras transversales”. Sí, respondo, pero, generalmente en el aire y el agua -medios extensos (no en la superficie del agua p. ej.- son longitudinales; una onda sonora longitudinal en una barra de hierro se produciría si golpeo un extremo en la misma dirección de su longitud. Si la golpeo perpendicularmente a su longitud, su propagación será transversal. Por otra parte, el sonido es un fenómeno que no pertenece al medio de su propagación, pero necesita ese medio material.
    Las ondas electromagnéticas son transversales que generalmente se transmiten en el espacio siguiendo su geometría. De ahí la “lente de Einstein”. Por tanto tampoco pertenecen al espacio, sino que se transmiten en su seno.
    Por otra parte, el interferómetro LIGO está compuesto por una parte material -los brazos- y otra parte electromagnética láser.
    No tengo claro si el espacio parmea la materia. Aclaro: una masa sólida en el aire no es permeada por este. Pero me pregunto si la materia, además de serlo, es también espacio. Sí, lo ocupa, pero ¿lo desplaza? Desde luego lo modifica mediante la gravedad. Así que diría que la materia no es espacio por ese hecho.
    Entonces, las ondas gravitatorias pueden modificar la distancia entre los extremos del interferómetro, pero también modificarán las ondas láser; supongo que en distinta medida al ser cosas tan ajenas.
    Ya me agradaría una lectura crítica de este comentario por “lluís” y por Neo. Si pueden dedicarme ese tiempo, claro.
    Gracias anticipadas, lo hagan o no.

  2. Marco:

    “tomás”

    Primero voy a aclararte algunas dudas (estudio astronomía). Las ondas gravitacionales (aún teóricas) se propagan por el espacio-tiempo, NO por el espacio, sino que por el Espacio y por el Tiempo como una sola “cosa”.

    Segundo, no trates de comparar ondas gravitacionales con ondas “comunes”, como las del agua o cosas así, porque cuando piensas en el espacio-tiempo, piensas en 4 dimensiones, 3 espaciales+1 temporal, no en 3 dimensiones o menos.

    Tercero, no imagines que el espacio “permea” la materia. El espacio (espacio-tiempo más correctamente) no es un “fluido” que “permee” las cosas. El espacio tiempo es como “un conjunto de puntos coordenados”.
    Imagínalo como la pantalla del computador llena de pixeles, cada pixel es una coordenada de tu “espacio tiempo=pantalla”. Imagina también que la pantalla del PC es flexible, asi que tus “coordenadas”, es decir, tus pixeles se alargan y contraen, son deformables. Ahora bien, si yo digo “estoy viendo una ventana de internet en mi computador”, y me pregunto: ¿los pixeles permean la ventana del computador?, notarás que es una pregunta absurda, el espacio-tiempo, al igual que los pixeles, están ahí siempre, nunca están fuera o dentro de “las figuras que tu ves”, están en todos lados, porque es todo lo que existe, es el sustento mismo, más básico, del universo. Por ejemplo, si se te queman una parte de tus pixeles, ya no verás nada en ese lado de la pantalla, y no es que “las figuras no sean permeadas por los pixeles”, es que no hay pixeles, no hay sustento, no hay espacio tiempo donde algo puede existir.

    Cuarto, la materia NO es espacio, y NO es tiempo. Materia =/= Espacio =/= tiempo. La materia (y la energía) existen en el espacio tiempo. Es como decir, en mi pantalla yo veo el mouse, veo carpetas, veo una página web. Existen porque la pantalla lo permite, le da el sustento físico para su existencia. la pantalla NO es el mouse, NO es la carpeta que yo veo, NO es internet.

    Quinto y último, lo que se propone (muy original por lo demás) es que probablemente será posible medir las distorsiones espacio-temporales producidas por las ondas gravitacionales debido a las estrellas de neutrones que orbitan a una gigante roja.
    La gracia es que la gigante roja es “fácil de observar”, entonces sería posible, según el artículo, ver como se contrae el espacio o se dilata el espacio, cuando la onda gravitacional producida por las estrellas de neutrones pasa por la gigante roja, haciendo que se puedan ver contracciones o dilataciones en esta estrella. En ningún caso se utilizará un interferómetro de verdad, se utilizarían las mismas estrellas como “interferómetro”.

    Ojalá te haya ayudado y aclarado algunas cosas.

    Saludos

  3. lluís:

    – Tras leer tu comentario,amigo tomás, no veo muy claro a dónde quieres llegar, es decir, ¿cual es tu pregunta concreta? acaso no la sé ver.
    – De momento, dos cuestiones. En tu comentario hablas de espacio, pero no de tiempo. Y ya dijimos que las ondas gravitatorias son distorsiones del propio espacio-tiempo, y esto no es comparable a una ola en un estanque (analogía que a veces se hace para visualizar el tema de las ondas transversale); además las ondas transversales no pueden propagarse en un gas o en un líquido (me parece que esto ya lo dijes de otra forma en tu comentario) ya que no hay mecanismo para impulsar el movimiento perpendicular a la propagación de la onda. La materia es de naturaleza ondulatoria y los átomos están prácticamente vacíos, la matería sólida es solo una mera apariciencia.Hay mucho espacio vacío en esa materia.
    – Un abrazo tomás.

  4. tomás:

    Querido profe “lluís” (a mis profesores siempre los he querido mucho -a los buenos, claro-):
    La pregunta está en el antepenúltimo párrafo: ¿las ondas gravitatorias modificarán tanto la distancia entre los extremos del interferómetro como los haces láser, aunque en distinta forma y medida?
    Pero también hay cuestiones de concepto que, aunque no las pregunto sí que quedan por ahí colgando como el punto de un interrogante.
    Una de ellas es si el espacio perméa la materia. Hay una parte de tu respuesta que ya la conocía perfectamente: la materia, los átomos, están prácticamente vacíos. En su nivel, las distancias entre el núcleo y los electrones son descomunales y ese espacio ha de estar sometido a campos: fuerzas electromagnéticas; otros, los intranucleares, extraordinariamente potentes: la interacción débil y la fuerte. Y no voy más allá porque mis desconocimientos no me lo permiten. El caso es que, en ese sentido está claro que el espacio perméa la materia. Pero la respuesta buena, me la das cuando me dices que “la materia es de naturaleza ondulatoria”. Porque precisamente mi problema estaba en si los “corpúsculos mínimos (los cuark -es que no me gusta quark-) incluso” eran también espacio.
    Te contaré que hace muchos años, cuando mi hijo mayor cursaba quizá 3º de bachiller o algo así, intenté explicarle qué era la materia y le hacía una analogía, supongo que muy mala, pero con la mejor voluntad, como puedes imaginar: el espacio era como una cinta de goma de tirachinas. Si hacías un nudo muy fuerte en ella ese nudo sería un corpúsculo (el resto de la goma seguía siendo espacio más o menos tensado); nudo que, además encerraba una tremenda fuerza -era casi imposible de deshacer- y de ahí el E = m.c^2.
    Él entendió, al menos, que muchas cosas no eran lo que parecían, supongo.

    Un fuerte abrazo y mil gracias por tu respuesta.

  5. lluís:

    Querido tomás,pienso que lo que deberías haber puesto entre comillas, más que lluís, es lo de profe.No tengo nada de ello.En cuanto a tu pregunta el propio estudio ya dice que la distancia sería minúscula en los sistemas de interferometría que se utilizan para detectar las ondas gravitatorias. Supongo, pero solo es una suposición, que las ondas gravitatorias modificarían esa distancia,aproximadamente a como la modificaría un haz láser,puesto que las ondas gravitatorias tienen una energía muy baja, y aunque desconozco la del haz láser,pienso que debe haber una cierta correspondencia.
    – En cuanto a la analogía que le hiciste a tu hijo,para explicarle la materia, es bastante corriente. Pero a mi me gusta mucho decir que la naturaleza está hecha de campos y que lo que vemos son partículas ( electrones, quarks, protones, todo esto son vibraciones de los campos).
    – Gracias a tí y hago reciproco el abrazo.

  6. tomás:

    Amigo “lluís”: No sé si me has entendido. El haz láser recorre los brazos del interferómetro por dentro; supongo (aunque sería casi igual si lo hicieran por fuera). Creo que su energía será muchísimo menor que la de las ondas. Es decir que ellos no pueden ser la causa de una variación en la geometría entre los extremos.
    Lo que digo es que las ondas gravitatorias se espera actúen sobre la distancia entre los extremos de la L, y mi pregunta es si actuarán -creo que así debiera ser- sobre el haz láser, curvándolo, puesto que curvan el espacio que recorren.
    Mil gracias por todo.

  7. tomás:

    En cuanto a mi idea de la (tira de goma) = espacio, y (nudo) = partícula, inocente de mí, pensé que era ocurrencia mía para explicar la esencia última de la materia. Otra cosa es la archiconocida analogia de la deformación del espacio -como una cama elástica- por la presencia de masas. Yo pretendía explicar las masas fundamentadas en el espacio “comprimido”. Además, la idea, examinada a fondo, resulta bastante compleja. Imagina una cuerda de goma de 10 mm de sección. Apretada en el nudo, puede quedarse en 3 -la cuerda, no el nudo-. Entonces, en las proximidades del nudo ha de pasar de 3 a 10, tomando todas las dimensiones intermedias en una brevísima longitud. Pero esto sucede en todas las infinitas direcciones. Ese decaimiento del diámetro resulta ser el campo de acción de una masa deformando el espacio a la vez que explica la naturaleza de esa masa como compresión y tensión de ese campo.
    En cuanto a tu versión, los campos han de ser creados por otros fenómenos. Y parece que es la idea más actual. Pero también puedo hacer que mi tira vibre, con lo que pueden complementarse los puntos de vista.
    Bueno, espero no haberte aburrido demasiado. Un fuerte abrazo.

  8. lluís:

    – Amigo tomás, las ondas gravitacionales, insisto, no recorren el espacio,curvarían el espacio-tiempo; por tanto si el sistema “interferometro-haz láser” está “dentro” del espacio-tiempo, pues es de suponer que curvarían el sistema. Pero bueno yo dejo esto aquí, porqué ya no puedo ir más allá.
    – Lo que sí me ha llamado la atención es eso de que ” los campos han de ser creados por otros fenómenos”.No conozco esa idea más actual. Lo que sí es que los campos son constructos matemáticos y que hay ( o hubo) discusión entre físicos sobre si los campos cuánticos son los objetos fundamentales de los que derivarían las partículas o son las partículas el objeto fundamental,las particulas, pues serían lo real y los campos meras entelequias matemáticas que solo ayudarían como se comportan las partículas.
    – Por otra parte, que yo sepa,no se han descubierto fluctuaciones de campos que no sean partículas.Incluso el vacío corresponde a fluctuaciones del estado del campo en ausencia de partículas.
    – Pero si tienes más información sobre el asunto de ” los otros fenómenos que crean campos”, me gustaría mucho que me la suministraras.
    – No me aburres en absoluto tomás, para esto estamos aquí,con el amigo Neo, para discutir ” la jugada”; al contrario se agradecen las discusiones.Ojalá hubiera más.
    Un cordial saludo, tomás.

  9. tomás:

    Pues al leer la última frase de tu primer párrafo en el comentario anterior me he dicho: ¡vaya, ya he cansado al muy paciente “lluís”!
    Pero tus palabras finales me han borrado esa sospecha. Y no sabes cuanto te lo agradezco.
    Lo que me dices en el primer párrafo respecto al espacio-tiempo lo comprendo poniéndome en tu lugar, pero, como sabes, para mí no existe el tiempo; así que me conformo con el espacio. Pienso que el tiempo es la forma en que nuestra mente percibe la entropía, pero que no tiene existencia por sí mismo, lo cual resuelve algún problema, como la necesidad de un comienzo para el universo.
    Respecto a mi frase “los campos han de ser creados por otros fenómenos” me refiero a que si consideramos el campo gravitatorio terrestre, precisamos la Tierra, que sería el fenómeno -quizá sea incorrecto llamarle así. Lo que pasa es que los campos magnéticos sí que se deben al “fenómeno” de un movimiento; por ejemplo las corrientes Foucault, lo que justifica que llame fenómeno a la Tierra-.
    En cuanto a que sean entelequias matemáticas, no lo veo así. Pienso que son zonas del espacio con un comportamiento que podemos tratar matemáticamente. Pongamos que la Tierra está aislada muy lejos de toda otra masa. Crea un campo que podemos sustituir o identificar como una curvatura del espacio -creo que son dos formas de llamar a una misma cosa-. Si hago desaparecer la Tierra, queda anulado el campo, y el espacio recupera su anterior “uniformidad”; y lo mismo pasa -digo yo- en el inframínimo campo donde se manifiesta la interacción fuerte.
    Y no, no sé nada de otros fenómenos que creen campos mas que los clásicos que todos conocemos.
    Pero me has vuelto a enseñar algo -eres una mina para mi; ¿cómo no llamarte profe?-. El segundo y tercer párrafos son muy importantes. ¡Claro! Los físicos dudaban si era antes la gallina-campo o el huevo-partícula. Dices: “Incluso el vacío corresponde a fluctuaciones del estado del campo en ausencia de partículas”. Pues eso podría tener que ver con el Big Bang.
    Y es que yo lo veo todo como “una sola cosa”. Por ejemplo las mareas serían una deformación de la materia para seguir la deformación del espacio creada por la variación de los campos gravitatorios de la Tierra y la Luna.
    Un fortísimo abrazo, querido amigo-

  10. tomás:

    Estimado Marco -¿qué menos cuando con tanta amabilidad me ilustras?-: Hasta ahora no me había dado cuenta de tu comentario. Creo que ha debido estar a la espera y ha aparecido hará algunas horas con la fecha de su envío, porque considero imposible que se me haya pasado sin leerlo.
    El que me informes de que estudias astronomía, no sólo me alegra, sino que me produce una gran satisfacción y el recuerdo de que hace ya mucho tiempo quise estudiarla como rama de “exactas”, pero era imposible porque no existía -ni existe- donde resido, ni siquiera por la incipiente -en aquel tiempo- UNED.
    Yo sé que mi problema es que preciso imaginarlo todo; integrarlo en mi cosmogonía o cosmología -como prefieras-, independientemente de su concepto y expresión matemática. Y ello suele traerme problemas.
    Procuro imaginar las cuatro dimensiones como tres en coordenadas cartesianas y le añado un vector para el tiempo. Pero, como le digo al paciente “lluís”, no creo que el tiempo exista -y no soy el único; parece que mentes mucho más preparadas y solventes que la mía también lo ponen en cuestión-.
    Dices que las ondas gravitatorias son una teoría y sospecho que no alcanzan esa categoría. Pienso que son una hipótesis; si se detectan -aunque parece que ya hay algo de eso-, habrá que construir sobre ellas una teoría que, seguramente, ya ronda, ya se está urdiendo, en las cabezas de esos investigadores (además de que su existencia se desprenda de manera natural de la RG, como nos recuerda el artículo -y yo apostaría por su realidad-).
    Veamos lo de comparar. Yo pretendo poder imaginar y, para ello, considero analogías que, posiblemente, a un espíritu científico no le sea fácil aceptar. Posiblemente la más parecida sea electromagnetismo que tiene en común una variación de la fuente; también son transversales, pero no son una fluctuación de un campo electromagnético preexistente, sino que pueden ser creadas como un haz y enviadas a través del espacio -o del vacío si se prefiere llamarlo así en este caso-. Las gravitatorias son el espacio mismo “vibrando”, como el medio vibra con el sonido. Ya ves: he de mezclar para poder imaginar.
    La cuestión es que tú me escribes desde la ortodoxia, pero si no puedo aceptar el tiempo, a una parte de tu argumentación debo privarla de él para poder seguir.
    Dices que el espacio (ya omito el tiempo) “es como como un conjunto de puntos coordenados”. Pero los puntos coordenados no tienen realidad alguna. Son una abstracción geometrico-matemática, mientras que el espacio es una realidad.
    Aunque pueda parecer una banalidad quisiera distinguir entre tres conceptos que muchas veces se utilizan como sinónimos, pero que no lo son, como muy bien sabes. Me refiero a “vacío”, “nada” y “espacio”. Al vacío lo dejaría como su concepto arcaico de “espacio carente de materia -sólo de materia-“. Pero el espacio tiene propiedades que no podemos calificar de materia. Creo que el espacio puede ser “soporte” de distancias, además de estar ocupado por diversos campos. Por su parte la nada no puede considerarse en el universo; sería un concepto sin existencia real.
    En cuanto a la expresión permear, no la concebimos de igual manera. Un fluido no permea, es decir, no forma parte del objeto. El pez no es agua ni el agua, pez. En mi caso, la materia es espacio “comprimido” de diferentes modos según la partícula a la que dan existencia. (Las partículas serían espacio, pero muy poca parte del espacio son partículas)
    En lo relativo a los píxeles, es muy ilustrativo, pero -en mi modo de entender (soy profundo ignorante de informática)- creo que son unidades de tamaño arbitrario que pueden “llenarse” de letras, colores de una fotografía y cosas así. Creo que tampoco su existencia es real. Otra cosa es la pantalla que citas en tu conclusión final. Parece que la identificas con el espacio. No sé. Sencillamente, ruego que me excuses -máxime con el trabajo que te has tomado- pero no alcanzo a comprenderlo.
    En resumen que sé que la culpa es mía, pero que no puedo evitar mi mentalidad. Y que te agradezco en grado sumo el esfuerzo y la buena voluntad. A lo mejor algún día lo entiendo. No lo sé.
    Te deseo mayor el éxito en tu futura profesión.

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