Físicos de la UIB participan en un proyecto que sentará las bases

Físicos de la UIB participan en un proyecto
que sentará las bases teóricas para
descifrar la última predicción de Einstein
Una nueva generación de interferómetros de láser se aprestan a
detectar la radiación gravitacional, una fuente de conocimiento, un
mensaje del Universo que inicia una nueva disciplina astronómica
PALABRAS CLAVE:
ondas
gravitacionales,
simulaciones
numéricas,
interferómetros de
láser
KEYWORDS:
gravitational wave,
numerical
simulations, laser
interferometric
detectors
Científicos de la UIB, en colaboración con
investigadores de universidades de Valencia,
Alemania, Francia, Grecia, Italia y Reino Unido, están
sentando las bases teóricas para la posterior
interpretación de uno de los mensajes más esperados
del Universo, las ondas gravitacionales, todavía no
detectadas desde que Albert Einstein las predijera en
su Teoría General de la Relatividad de 1916.
El profesor Carles Bona, catedrático de Física Teórica
de la UIB, participa en un proyecto - UE Network
(http://www.eu-network.org/Welcome/description.html) financiado por la Unión Europea, coordinado por Max
Planck Institut für Gravitationsphysik de Alemania, en
el que participan además ocho instituciones científicas
del continente, la Friedrich Schiller Universität Jena
(Alemania); el Observatoire de París (Francia); la
Universitat de València (España); la Aristotle University
of Thessaloniki (Grecia); la Universidad "La Sapienza"
de Roma y la Scuola Internazionale Supeiore di Studi
Avanzati (Italia), la Universidad de Southampton y la
Universidad de Portsmouth (Reino Unido).
Al mismo tiempo el profesor Jaume J. Carot es el
investigador responsable de un segundo proyecto, en
esta ocasión financiado por el Ministerio de Ciencia y
Tecnología, que persigue estudiar los mecanismos de
producción, propagación y detección de radiación
gravitatoria para aquellos objetos (estrellas, galaxias,
agujeros negros, …) que presentan simetría axial.
En ambos casos, el objetivo es sentar las bases
matemáticas mediante simulaciones numéricas que
permitirán la interpretación de las señales que se
Imagen recreada
en el ordenador
de una radiación
gravitacional.
En la fotografía
aparecen todos
los integrantes
del proyecto
europeo UENetwork que
engloba diez
instituciones
científicas.
prevé detectar en un futuro muy breve gracias al
A partir de este punto Einstein tuvo que abordar una
perfeccionamiento de los llamados interferómetros por
nueva teoría gravitacional. Si la gravedad newtoniana
láser.
era una fuerza, la gravedad en Einstein pasa a ser una
deformación del espacio-tiempo. En realidad, para este
último, el campo gravitacional de una determinada
El Departamento de Física de la UIB
colabora en un proyecto europeo con
otras nueve instituciones científicas
del continente. El objetivo es sentar
las bases teóricas para la futura
interpretación de las ondas
gravitacionales que puedan ser
detectadas
masa es la curvatura que produce en el espaciotiempo.
A partir de Einstein el espacio abandona la geometría
euclidiana de Newton en la que entre otras cosas
espacio y tiempo eran independientes. En la geometría
no-euclidiana el espacio-tiempo es deformado por una
masa, de tal manera que otra masa se ve afectada por
esta deformación y obligada a seguir trayectorias
distintas a las que hubiera seguido si el espaciotiempo no hubiera estado deformado. Nada escapa a
Introducción
esa influencia, ni siquiera la luz.
Una de las principales cuestiones pendientes que tiene
Cabe decir que las ecuaciones de Newton y Einstein
la Física por resolver, como si fuera una asignatura
son igualmente útiles y coincidentes para los casos de
heredada desde principios del siglo pasado, es la
gravedad débil, pero no en el caso de gravedad fuerte.
detección de las ondas gravitacionales, predichas por
la Teoría General de la Relatividad de Albert Einstein
en 1916.
Isaac Newton estableció la primera gran teoría de la
gravitación, definiendo la gravedad como una de las
fuerzas fundamentales del universo que se propaga
instantáneamente con una velocidad infinita y que
En la imagen
pueden
apreciarse los
dos largos tubos
del
interferómetro
franco-italiano
VIRGO,
construido en las
cercanías de
Pisa.
afecta a la totalidad de la materia. La teoría
newtoniana permite explicar la mayoría de
movimientos planetarios, pero no todos.
Cuando Einstein en 1905 publicó su Teoría Especial
de la Relatividad se evidenció una colisión entre ésta y
la teoría gravitacional de Newton, puesto que según la
primera nada se propaga más rápidamente que la luz.
En física se define como velocidad de escape aquella
1913+16: dos estrellas de neutrones rotando una
que tiene que tener un cuerpo para escapar de la
alrededor de la otra cada seis horas. Taylor y Hulse
gravedad de otro. La velocidad de escape de cualquier
demostraron que el periodo orbital disminuye muy
cuerpo en la Tierra es de 11 km/s -unos 40.000
lentamente y que las fórmulas de Einstein son
km/hora. Los astrofísicos dicen que hay gravedad débil
correctas. Además, su estudio indica indirectamente
cuando la velocidad de escape es menor que 30.000
que este objeto emite ondas gravitacionales.
km/s (el 10% de la velocidad de la luz). Superado este
Si hasta ahora la astronomía se ha basado casi
punto la gravedad puede considerarse fuerte y eso
ocurre junto a objetos estelares masivos (estrellas de
neutrones, agujeros negros). En estos casos, sólo la
Teoría General de la Relatividad de Einstein es
aplicable.
Los interferómetros de láser serán
capaces de detectar diminutas
oscilaciones, tan minúsculas como el
diámetro de un protón
Consecuencia de la Teoria General de la Relatividad
es la existencia de las llamadas ondas gravitacionales.
íntegramente en el estudio de las radiaciones lumínica
Einstein predice que la gravitación, la curvatura del
y electromagnética de los cuerpos estelares, a partir
espacio-tiempo, se propaga y lo hace con la velocidad
de ahora se abren nuevas puertas para el estudio del
de la luz. Las ondas gravitacionales por tanto son
Universo, como el estudio de los neutrinos o el de las
alteraciones de la geometría del espacio-tiempo (o en
ondas gravitacionales.
lenguaje clásico, alteraciones del valor de equilibrio del
Los interferómetros por láser constituyen, en este
campo gravitatorio), que se producirían como
sentido, la última generación de detectores de ondas
consecuencia del desplazamiento de grandes masas,
gravitacionales y sustituyen progresivamente a los
por ejemplo, la colisión de dos estrellas de neutrones o
detectores de barra (basados en la resonancia de
de dos agujeros negros o en la explosión de una
cilindros de aluminio). Con los nuevos sistemas se
supernova.
pretenden detectar minúsculas oscilaciones, tan
diminutas como el diámetro de un protón.
El descubrimiento de las estrellas de neutrones y de
Estos sistemas consisten (con variaciones) en dos
los agujeros negros abrió esperanzas en la comunidad
haces de rayos láser, colocados en tubos de varios
científica de cara a la detección de las ondas
kilómetros de longitud, y dispuestos
predichas por Einstein. En 1973 Joseph Taylor y
perpedicularmente. Los rayos son reflejados de forma
Robert Hulse descubrieron el pulsar binario PSR
continua mediante la disposición de espejos que se
A la izquierda,
uno de los tubos
del LIGO, el
interferómetro
construido por
Estados Unidos.
A la derecha,
detalle del
ensamblaje de
uno de los tubos
del proyecto
VIRGO, en Pisa.
hallan suspendidos en el interior de ambos tubos en
Italia, esta situado en las cercanías de Pisa.
los que previamente se ha hecho el vacío. Después de
http://www.virgo.infn.it/
recorrer el túnel, los dos haces se fusionan para
formar una interferencia optica. En teoría, una onda
GEO es el interferómetro británico-alemán y está
gravitacional que llegara nosotros modificaría esta
ubicado en Hannover.
interferencia de los dos haces de láser. Esta señal
http://www.geo600.uni-hannover.de/
sería recogida y medida, proporcionando información
sobre el tipo de fenómeno o cuerpo estelar que ha
TAMA, el proyecto japonés, ubicado en las cercanías
provocado la onda.
de Tokio.
http://tamago.mtk.nao.ac.jp/
En estos momentos son varios los interferómetros
preparados en todo el mundo para la detección de
ACIGA, el proyecto australiano
ondas gravitacionales. Entre los interferómetros
http://www.anu.edu.au/Physics/ACIGA/
terrestres se encuentran:
Estos interferómetros están ya en funcionamiento
LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave
desde finales de 2003, si bien todavía de forma
Observatory) está instalado en Estados Unidos. En su
preliminar, con un nivel de precisión menor que aquel
desarrollo han colaborado el California Institute of
para el que fueron diseñados. Muy pronto, quizá este
Technology y el Massachusetts Institute of Technology
mismo año 2004 o el siguiente, todos estos
http://www.ligo.caltech.edu/
interferómetros de láser habrán alcanzado el nivel de
precisión previsto, requerido para poder detectar las
VIRGO, consecuencia de la colaboración de Francia e
Imagen virtual
del
interferómetro
espacial LISA,
un proyecto
cofinanciado por
la Agencia
Espacial
Europea y la
NASA.
ondas de gravitación. Todos ellos trabajaran
El doctor Jaume
J. Carot frente al
ordenador en su
despacho.
conjuntamente, con la ventaja de que siempre habrán
La tarea llevada a cabo en la UIB posee una doble
de ser varios observatorios los que confirmen una
vertiente. Por una parte se analiza cómo pueden
posible detección de ondas gravitacionales.
reformularse las ecuaciones de la Teoría General de la
Relatividad de Einstein para abordar fenómenos
Cabe añadir a estos el proyecto LISA, un observatorio
generadores de una gravedad fuerte, fenómenos de
espacial de ondas gravitacionales cuyo lanzamiento
tipo catastrófico como los que hemos mencionado; y
está previsto para el año 2011. LISA está
por otra parte, realizar simulaciones para cada uno de
conjuntamente financiado por la Agencia Espacial
los sistemas astrofísicos estudiados con el objeto de
Europea (ESA), como una misión básica del Programa
identificar a priori el tipo de onda de gravitación que
de Visión Cósmica de la ESA, y la División de
produciría.
Astronomía y Astrofísica de la NASA.
http://lisa.jpl.nasa.gov/espanol.html
Las bases teóricas, el UE Network y la
participación de la UIB
Se están sentando las bases de una
nueva astronomía, la astronomía de
ondas de gravitación, que puede dejar
atrás la convencional, basada en la
radiación electromagnética
Es necesario sin embargo elaborar un corpus teórico
previo, con el objeto de asegurar la correcta
La información previa generada, por tanto, por el
interpretación de una onda gravitacional detectada. Es
grupo de la UIB es indispensable para un posterior
aquí donde los investigadores de la UIB desarrollan su
contraste de los perfiles de las señales que puedan
labor, como pertenecientes al UE Network junto con
detectarse en un futuro. Por ejemplo, una oscilación
investigadores de otras nueve instituciones europeas.
inicial muy elevada, seguida de oscilaciones cada vez
El proyecto que llevan a cabo consiste en realizar
más amortiguadas, indicaría muy posiblemente una
simulaciones numéricas de sistemas astrofísicos
explosión de una supernova, descartando otros
violentos, es decir que en cortos periodos de tiempo
fenómenos astrofísicos. La simulación numérica, sin
son capaces de liberar gran cantidad de energía y que
embargo, no acaba aquí, sino que a partir del perfil de
son emisores de ondas gravitacionales.
la señal, podría inferirse la masa de la supernova, la
La labor, por tanto, es desarrollar formalismos teóricos
distancia, etc.
para facilitar la posterior interpretación de las señales
Si la señal, por ejemplo, no tuviera un pico inicial sino
que puedan detectarse en los interferómetros de láser.
que se tratara de una señal continua finalizando con
un gran engrosamiento de la onda, muy posiblemente
checos, titulados de la Universidad de Praga, en
se trataría de un sistema binario (dos estrellas de
sendas estancias de quince meses. A la vez, los
neutrones, una estrella de neutrones y un agujero
miembros de los distintos equipos de investigación que
negro; o dos agujeros negros, por ejemplo), que
forman en UE Network, se reúnen periódicamente con
después de su acercamiento acaban colapsando.
el objetivo de poner en común los resultados.
La definición de cada onda permite, pues, discriminar
Por su parte, el objeto de estudio del doctor Jaume J.
y acotar sus posibles orígenes. Piénsese además que
Carot, son los cuerpos que presentan simetría axial,
la detección de ondas gravitatorias (de baja energía)
quiere decir esto todos aquellos que son simétricos en
se complica por el "ruido" detectado por el propio
torno a un eje (estrellas, galaxias y la mayoría de los
inteferómetro. Utilizando un símil radiofónico, la señal
objetos de interés en astrofísica). El estudio es
que cabe aislar es comparable a la voz del locutor
básicamente matemático, estudiándose, entre otros
cuando la emisora se halla mal sintonizada y las
aspectos, la geometría que dichos objetos tienen en la
interferencias son múltiples. La labor del corpus
vecindad de su eje de simetría y las implicaciones que
teórico desarrollado por el grupo UE Network es, por
ello supone en cuanto a la producción y propagación
tanto, indispensable para filtrar las señales equívocas
de radiación gravitatoria.
y reforzar la señal que interesa. Este cometido es
Asimismo, todo ello permite desarrollar códigos
precisamente el que desarrolla la profesora Alicia
numéricos mejor adaptados a la hora de efectuar
Sintes, miembro del Departamento de Física de la UIB.
simulaciones de tales objetos.
Se están, por tanto, sentando las bases de una nueva
Movilidad y formación
astronomía, la astronomía de ondas de gravitación,
que puede dejar atrás la astronomía convencional
El doctor Carles
Bona en su
despacho del
Edificio Mateu
Orfila i Rotger.
El proyecto europeo es además, un proyecto que
basada en la radiación electromagnética. Esta nueva
pretende mejorar la movilidad entre equipos de
disciplina, basada en la detección de ondas
investigación y en el que es esencial la formación de
gravitacionales, podría darnos en el futuro información
nuevos investigadores en este nueva rama de la
de regiones muy alejadas en el espacio y también en
astronomía que hoy esta en sus primeros estadios. La
el tiempo, información que con los métodos actuales
UIB ha acogido en este sentido a dos investigadores
no puede ser detectada.
Proyectos financiados e investigadores responsables
Referencia: HPRN-CT-2000-00137
Programa: Improving human research potencial and the socio-economic knowledge base.
Título: Theoretical foundations of sources for gravitational wave astronomy of the next century: synergy between
supercomputer simulations and approximation techniques.
Centro: Departamento de Física. Edifici Mateu Orfila i Rotger.
Investigador responsable: dr. Carles Bona García.
Tel.: 971 17 32 22
[email protected]
Referencia: BFM2001-0988
Título: Radiación gravitatoria en sistemas relativistas axialmente simétricos. Un estudio analítico-numérico.
Investigador responsable: dr. Jaume J. Carot Giner
Centro: Departamento de Física. Edifici Mateu Orfila.
Tel.: 971 17 32 25
[email protected]
Otros miembros del equipo
Dr. Lluís Mas; dr. Joan Massó; dra. Alícia Sintes; dr. Joan Stela; sr. Manuel Luna; sr. Carlos Palenzuela; sra.
Magdalena Collinge.
Webs de interés
http://www.uib.es/depart/dfs/GRG/index.html
Departamento de Física de la UIB. Grupo de Relatividad y Gravitación.
http://www.eu-network.org/
web del Research Training Network, grupo de diez instituciones, entre ellas la UIB, que participan en el proyecto.
http://www.ligo.caltech.edu/
(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory). Instalado en Estados Unidos. En su desarrollo han
colaborado el California Institute of Technology y el Massachusetts Institute of Technology
http://www.virgo.infn.it/ Observatorio francoitaliano. Está situado en las cercanías de Pisa
http://www.geo600.uni-hannover.de/ Interferómetro británico-alemán. Está ubicado en Hannover.
http://tamago.mtk.nao.ac.jp/ Interferómetro japonés, ubicado en las cercanías de Tokio
http://www.anu.edu.au/Physics/ACIGA/ Inteferómetro australiano
http://lisa.jpl.nasa.gov/espanol.html Proyecto de interferómetro espacial financiado por la ESA y la NASA
http://math.ucr.edu/home/baez/relativity.html
Información y enlaces referentes a la Teoría de la Relatividad, tanto a nivel divulgativo como especializado.
Publicaciones
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