En febrero de 2016, los científicos que trabajan para el Observatorio de ondas gravitacionales con interferómetro láser (LIGO) hicieron historia cuando anunciaron la primera detección de ondas gravitacionales. Desde entonces, se han realizado múltiples detecciones y las colaboraciones científicas entre observatorios, como Advanced LIGO y Advanced Virgo, están permitiendo niveles sin precedentes de sensibilidad e intercambio de datos.
La detección por primera vez de ondas de gravedad fue un logro histórico, sino que marcó el comienzo de una nueva era de astrofísica. No es de extrañar, entonces, por qué los tres investigadores que fueron centrales en la primera detección recibieron el Premio Nobel de Física 2017. El premio fue otorgado conjuntamente a los profesores eméritos de Caltech Kip S. Barish, junto con el profesor emérito del MIT Rainer Weiss.
En pocas palabras, las ondas gravitacionales son ondas en el espacio-tiempo formadas por grandes eventos astronómicos, como la fusión de un par de agujeros negros binarios. Fueron predichas por primera vez hace más de un siglo por la Teoría de la relatividad general de Einstein, que indicaba que las perturbaciones masivas alterarían la estructura del espacio-tiempo. Sin embargo, no fue hasta los últimos años que se observó por primera vez evidencia de estas ondas.
La primera señal fue detectada por los observatorios gemelos de LIGO, en Hanford, Washington y Livingston, Luisiana, respectivamente, y se trazó hasta una fusión de mole negro a 1.300 millones de años luz de distancia. Hasta la fecha, se han realizado cuatro detecciones, todas debidas a la fusión de pares de agujeros negros. Estos tuvieron lugar el 26 de diciembre de 2015, el 4 de enero de 2017 y el 14 de agosto de 2017, siendo el último detectado por LIGO y el detector de ondas gravitacionales Virgo europeo.
Por el papel que desempeñaron en este logro, la mitad del premio fue otorgado conjuntamente a Barry C. Barish de Caltech, el profesor de física Ronald y Maxine Linde, emérito, y Kip S. Thorne, el profesor de física teórica Richard P. Feynman. , Emérito. La otra mitad fue otorgada a Rainer Weiss, profesor de física, emérito, en el Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT).
Como dijo el presidente de Caltech, Thomas F. Rosenbaum, presidente presidencial y profesor de física de Sonja y William Davidow, en un reciente comunicado de prensa de Caltech:
“Estoy encantado y honrado de felicitar a Kip y Barry, así como a Rai Weiss, del MIT, por el galardón esta mañana del Premio Nobel de Física 2017. La primera observación directa de ondas gravitacionales por LIGO es una demostración extraordinaria de visión científica y persistencia. A lo largo de cuatro décadas de desarrollo de instrumentación exquisitamente sensible, impulsando la capacidad de nuestra imaginación, ahora podemos vislumbrar procesos cósmicos que antes eran indetectables. Es realmente el comienzo de una nueva era en astrofísica ".
Este logro fue aún más impresionante teniendo en cuenta que Albert Einstein, quien predijo por primera vez su existencia, creía que las ondas gravitacionales serían demasiado débiles para estudiar. Sin embargo, en la década de 1960, los avances en la tecnología láser y las nuevas ideas sobre posibles fuentes astrofísicas llevaron a los científicos a concluir que estas ondas podrían ser realmente detectables.
Los primeros detectores de ondas de gravedad fueron construidos por Joseph Weber, un astrofísico de la Universidad de Maryland. Sus detectores, que fueron construidos en la década de 1960, consistían en grandes cilindros de aluminio que serían impulsados a vibrar al pasar ondas gravitacionales. Siguieron otros intentos, pero todos resultaron infructuosos; provocando un cambio hacia un nuevo tipo de detector que involucra interferometría.
Weiss desarrolló un instrumento de este tipo en el MIT, que se basó en la técnica conocida como interferometría láser. En este tipo de instrumento, las ondas gravitacionales se miden usando espejos separados y ampliamente espaciados que reflejan láseres a largas distancias. Cuando las ondas gravitacionales hacen que el espacio se estire y se contraiga en cantidades infinitesimales, hace que la luz reflejada dentro del detector se desplace minuciosamente.
Al mismo tiempo, Thorne, junto con sus estudiantes y posdoctorados en Caltech, comenzó a trabajar para mejorar la teoría de las ondas gravitacionales. Esto incluyó nuevas estimaciones sobre la fuerza y la frecuencia de las ondas producidas por objetos como agujeros negros, estrellas de neutrones y supernovas. Esto culminó en un artículo de 1972 que Throne coeditó con su alumno, Bill Press, que resumió su visión de cómo se podían estudiar las ondas gravitacionales.
Ese mismo año, Weiss también publicó un análisis detallado de los interferómetros y su potencial para la investigación astrofísica. En este artículo, afirmó que las operaciones a gran escala, que miden varios km o más de tamaño, podrían tener la posibilidad de detectar ondas gravitacionales. También identificó los principales desafíos para la detección (como las vibraciones de la Tierra) y propuso posibles soluciones para contrarrestarlos.
En 1975, Weiss invitó a Thorne a hablar en una reunión del comité de la NASA en Washington, D.C., y los dos pasaron una noche entera hablando sobre experimentos gravitacionales. Como resultado de su conversación, Thorne regresó a Calteh y propuso crear un grupo de gravedad experimental, que trabajaría en interferómetros en paralelo con investigadores del MIT, la Universidad de Glasgow y la Universidad de Garching (donde se realizaban experimentos similares).
El desarrollo del primer interferómetro comenzó poco después en Caltech, lo que condujo a la creación de un prototipo de 40 metros (130 pies) para probar las teorías de Weiss sobre las ondas gravitacionales. En 1984, todo el trabajo realizado por estas instituciones respectivas se unió. Caltech y MIT, con el apoyo de la National Science Foundation (NSF) formaron la colaboración LIGO y comenzaron a trabajar en sus dos interferómetros en Hanford y Livingston.
La construcción de LIGO fue un gran desafío, tanto logístico como técnico. Sin embargo, las cosas se ayudaron inmensamente cuando Barry Barish (entonces físico de partículas de Caltech) se convirtió en el Investigador Principal (PI) de LIGO en 1994. Después de una década de intentos estancados, también fue nombrado director de LIGO y volvió a encauzar su construcción. . También amplió el equipo de investigación y desarrolló un plan de trabajo detallado para la NSF.
Como indicó Barish, el trabajo que hizo con LIGO fue como un sueño hecho realidad:
“Siempre quise ser un físico experimental y me atrajo la idea de utilizar los avances continuos en tecnología para llevar a cabo experimentos científicos fundamentales que de otra forma no podrían hacerse. LIGO es un excelente ejemplo de lo que no se podía hacer antes. Aunque era un proyecto a gran escala, los desafíos eran muy diferentes de la forma en que construimos un puente o llevamos a cabo otros grandes proyectos de ingeniería. Para LIGO, el desafío era y es desarrollar y diseñar instrumentación avanzada a gran escala, incluso a medida que el proyecto evoluciona ”.
En 1999, la construcción había concluido en los observatorios LIGO y en 2002, LIGO comenzó a obtener datos. En 2008, comenzaron los trabajos para mejorar sus detectores originales, conocidos como el Proyecto Avanzado LIGO. El proceso de convertir el prototipo de 40 m en los interferómetros actuales de 4 km (2.5 mi) de LIGO fue una tarea enorme y, por lo tanto, debía dividirse en pasos.
El primer paso tuvo lugar entre 2002 y 2010, cuando el equipo construyó y probó los interferómetros iniciales. Si bien esto no resultó en ninguna detección, demostró los conceptos básicos del observatorio y resolvió muchos de los obstáculos técnicos. La siguiente fase, llamada Advanced LIGO, que tuvo lugar entre 2010 y 2015, permitió a los detectores alcanzar nuevos niveles de sensibilidad.
Estas actualizaciones, que también ocurrieron bajo el liderazgo de Barish, permitieron el desarrollo de varias tecnologías clave que finalmente hicieron posible la primera detección. Como explicó Barish:
“En la fase inicial de LIGO, para aislar los detectores del movimiento de la tierra, utilizamos un sistema de suspensión que consistía en espejos de masa de prueba colgados por un cable de piano y utilizamos un conjunto de amortiguadores pasivos de etapas múltiples, similares a los en tu auto Sabíamos que esto probablemente no sería lo suficientemente bueno como para detectar ondas gravitacionales, por lo que, en el Laboratorio LIGO, desarrollamos un ambicioso programa para Advanced LIGO que incorporó un nuevo sistema de suspensión para estabilizar los espejos y un sistema de aislamiento sísmico activo para detectar y corregir movimientos de tierra ".
Dado que Thorne, Weiss y Barish eran centrales en el estudio de las ondas gravitacionales, los tres fueron reconocidos correctamente como los ganadores del Premio Nobel de Física de este año. Tanto Thorne como Barish fueron notificados de que habían ganado en la madrugada del 3 de octubre de 2017. En respuesta a las noticias, ambos científicos estaban seguros de reconocer los esfuerzos continuos de LIGO, los equipos científicos que han contribuido a ello y el esfuerzos de Caltech y MIT en la creación y mantenimiento de los observatorios.
"El premio pertenece legítimamente a los cientos de científicos e ingenieros de LIGO que construyeron y perfeccionaron nuestros complejos interferómetros de ondas gravitacionales, y los cientos de científicos de LIGO y Virgo que encontraron las señales de ondas gravitacionales en los datos ruidosos de LIGO y extrajeron la información de las ondas, "Dijo Thorne. "Es lamentable que, debido a los estatutos de la Fundación Nobel, el premio tenga que ir a no más de tres personas, cuando nuestro maravilloso descubrimiento es el trabajo de más de mil".
"Me siento honrado y honrado de recibir este premio", dijo Barish. “La detección de ondas gravitacionales es realmente un triunfo de la física experimental moderna a gran escala. Durante varias décadas, nuestros equipos de Caltech y MIT desarrollaron LIGO en el dispositivo increíblemente sensible que hizo el descubrimiento. Cuando la señal llegó a LIGO por una colisión de dos agujeros negros estelares que ocurrió hace 1.300 millones de años, la Colaboración Científica LIGO de 1,000 científicos fue capaz de identificar el evento candidato en minutos y realizar el análisis detallado que demostró convincentemente que las ondas gravitacionales existe."
Mirando hacia el futuro, también está bastante claro que Advanved LIGO, Advanced Virgo y otros observatorios de ondas gravitacionales en todo el mundo recién están comenzando. Además de haber detectado cuatro eventos separados, estudios recientes han indicado que la detección de ondas gravitacionales también podría abrir nuevas fronteras para la investigación astronómica y cosmológica.
Por ejemplo, un estudio reciente de un equipo de investigadores del Centro de Astrofísica de Monash propuso un concepto teórico conocido como "memoria huérfana". Según su investigación, las ondas gravitacionales no solo causan ondas en el espacio-tiempo, sino que dejan ondas permanentes en su estructura. Al estudiar a los "huérfanos" de eventos pasados, las ondas gravitacionales se pueden estudiar tanto cuando llegan a la Tierra como mucho después de su paso.
Además, un equipo de astrónomos del Centro de Cosmología de la Universidad de California Irvine publicó un estudio en agosto que indicó que las fusiones de agujeros negros son mucho más comunes de lo que pensábamos. Después de realizar un estudio del cosmos destinado a calcular y clasificar los agujeros negros, el equipo de UCI determinó que podría haber hasta 100 millones de agujeros negros en la galaxia.
Otro estudio reciente indicó que la red de detectores de ondas gravitacionales Advanced LIGO, GEO 600 y Virgo también podría usarse para detectar las ondas gravitacionales creadas por las supernovas. Al detectar las ondas creadas por las estrellas que explotan cerca del final de su vida útil, los astrónomos podrían ver el interior de los corazones de las estrellas colapsando por primera vez y probar la mecánica de la formación de agujeros negros.
El Premio Nobel de Física es uno de los más altos honores que se le puede otorgar a un científico. Pero aún mayor que eso es el conocimiento de que grandes cosas fueron el resultado del propio trabajo. Décadas después de que Thorne, Weiss y Barish comenzaron a proponer estudios de ondas gravitacionales y trabajar para la creación de detectores, los científicos de todo el mundo están haciendo descubrimientos profundos que están revolucionando la forma en que pensamos sobre el Universo.
Y como estos científicos seguramente atestiguarán, lo que hemos visto hasta ahora es solo la punta del iceberg. Uno puede imaginar que en algún lugar, Einstein también está radiante de orgullo. Al igual que con otras investigaciones relacionadas con su teoría de la relatividad general, el estudio de las ondas gravitacionales está demostrando que incluso después de un siglo, ¡sus predicciones todavía estaban en marcha!
Y asegúrese de ver este video de la Conferencia de prensa de Caltech donde Barish y Thorn fueron honrados por sus logros:
