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Cien años después, la UIB busca comprobar la última predicción pendiente de la teoría de la relatividad general de Einstein

El grupo de Relatividad y Gravitación de la Universidad de las Illes Balears es el único grupo de España que participa en la colaboración científica internacional LIGO con el objetivo de detectar por primera vez las ondas gravitacionales, un fenómeno predicho en la teoría de la relatividad general que Albert Einstein enunció el 25 de noviembre de 1915

Albert Einstein postuló su teoría de la relatividad general hace exactamente 100 años, y coincidiendo con este centenario ha entrado en funcionamiento Advanced-LIGO. Este observatorio tiene la misión de detectar por primera vez la existencia de un fenómeno sugerido por Einstein, pero que aún hoy sigue sin haberse podido confirmar: las ondas gravitacionales. El grupo de Relatividad y Gravitación de la Universidad de las Illes Balears es el único grupo de investigación de España que forma parte de la colaboración científica LIGO, en la que participan 950 científicos de universidades de 16 países a la caza de la primera detección directa de ondas gravitacionales, con objeto de emplearlas en la exploración de las leyes fundamentales de la física y como herramientas de observación astronómica. 

Ondas gravitacionales: la vibración del espacio-tiempo  

Einstein sugirió que el espacio-tiempo es curvo y que la gravedad es un producto de esta curvatura. Su teoría, además de predecir la existencia de agujeros negros, sugiere que objetos acelerados cambian la curvatura del espacio-tiempo y producen ondas gravitacionales. Estas ondas transportan información sobre los objetos que las producen y sobre la naturaleza de la gravedad en condiciones extremas, que no puede obtenerse mediante otras herramientas astronómicas.

Hace más de 50 años que la comunidad científica intenta detectar experimentalmente las ondas gravitacionales, pero aún no se han podido encontrar debido a que son poco frecuentes y con amplitudes extremadamente pequeñas. A pesar de esto, sí que se tienen pruebas indirectas de su existencia, por lo que los científicos están casi seguros de que las ondas gravitacionales existen. Solo falta confirmar su existencia detectándolas directamente, y este es el objetivo de Advanced-LIGO.

La detección directa permitiría observar los eventos más violentos del Universo, como las supernovas (explosiones de estrellas) o  las colisiones  y fusiones de agujeros negros y estrellas de neutrones. Cuando se producen estos eventos, hacen que el tejido del espacio mismo vibre como un tambor. Las ondulaciones del espacio-tiempo emanan en todas direcciones, viajando a la velocidad de la luz y distorsionando físicamente todo a su paso. Pero cuanto más se alejan de su origen, más pequeñas se vuelven, y en el momento en que llegan a la Tierra, la distorsión espacial causada por las ondas gravitacionales en una distancia de varios kilómetros es solo de una fracción del tamaño del protón.

Un láser de 4 km para detectar las ondas gravitacionales

Detectar este inimaginablemente pequeño movimiento es el objetivo de los detectores LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, Observatorio de Interferometría Láser de Ondas Gravitacionales). Para ello, los interferómetros LIGO hacen rebotar luz láser entre espejos situados en los extremos opuestos de los tubos de vacío de 4 kilómetros de largo, con el objetivo de detectar el paso de las ondas gravitacionales que extienden y comprimen la longitud de sus brazos, junto con el resto del espacio.

El pasado 18 de septiembre de 2015 empezó de manera oficial el primer período de observación de los detectores avanzados de ondas gravitacionales de LIGO en los observatorios de Hanford (Washington) y Livingston (Luisiana), en EEUU, aunque en las semanas precedentes ambos detectores estaban ya en funcionamiento, en modo de prueba. A partir de esta nueva etapa de observación, Advanced-LIGO pasará notificaciones a 75 observatorios astronómicos de todo el mundo, que han acordado apuntar sus telescopios hacia el cielo, en cualquier momento, en busca de señales electromagnéticas correspondientes a posibles detecciones de ondas gravitacionales.

Desde su puesta en marcha, los nuevos detectores avanzados de LIGO son ya tres veces más sensibles que lo que fue LIGO-inicial al final de su vida útil. Los nuevos detectores ya son capaces de escuchar las ondas gravitacionales producidas por la fusión de estrellas de neutrones a 225 millones de años luz, en comparación con los 65 millones de años luz  accesibles al final de la última búsqueda de LIGO (que concluyó en 2010). Triplicar el alcance de la distancia supone aumentar 27 veces el volumen de espacio accesible a LIGO, hecho que aumenta considerablemente las posibilidades de detección.

Este primer período de observación de Advanced-LIGO durará unos 4 meses (hasta al menos el 12 de enero de 2016), durante los cuales ambos detectores en Washington y Luisiana operarán simultáneamente durante el mayor número posible de horas al día. Para la misión de LIGO es crucial mantener en funcionamiento ambos interferómetros durante largos períodos de tiempo y asegurarse que ambos instrumentos están operando a la vez con la misma precisión. Pero para poder afrontar el reto de una primera detección también son cruciales el desarrollo de sofisticadas técnicas de análisis de los datos, así como el disponer de modelos precisos de perfiles de ondas gravitacionales.

La UIB, en la puesta en marcha

La UIB participa en la colaboración científica LIGO (LSC) desde 2002, si bien la doctora Alicia Sintes, profesora del Departamento de Física de la UIB i miembro del grupo de Relatividad y Gravitación (GRG), fue una de las investigadoras que intervino en la puesta en marcha de este grupo de científicos en 1997. Ella, juntamente con el doctor Sascha Husa, también profesor de la UIB y miembro del GRG, forman parte del Consejo de LIGO. En la actualidad, el grupo de Relatividad y Gravitación de la UIB es el único de España que participa en LIGO, junto a unos 950 científicos de universidades de 16 países.

Entre estos investigadores se encuentra un estudiante de doctorado de la UIB, Miquel Oliver, que ha tenido la oportunidad única de vivir directamente la puesta en marcha de Advanced-LIGO, ya que desde principios de setiembre trabaja en la sala de control de LIGO Hanford monitorizando el instrumento. Miquel Oliver no es el único doctorando de la UIB que ha podido participar en este gran reto para la comunidad científica. Otros jóvenes investigadores, como Alex Vañó y Juan Calderón, que han defendido sus tesis en la UIB recientemente, y Francisco Jiménez, que la está terminando, también han podido conocer los entresijos de los trabajos previos de preparación de Advanced-LIGO a través de su participación en las actividades de investigación del GRG.

El trabajo del grupo de la UIB se centra en la observación de ondas gravitacionales procedentes de agujeros negros y estrellas de neutrones, y el modelado computacional necesario para identificar dichas fuentes. Sus miembros han contribuido al software LIGO Scientific Collaboration Algorithm Library Suite y al proyecto de computación distribuida Einstein@home. La UIB ha liderado diferentes búsquedas de púlsares desconocidos y ha generado y utilizado simulaciones numéricas para crear sofisticados modelos analíticos de fusión de sistemas binarios de agujeros negros para ser usados en el análisis de los datos. En definitiva, el grupo de la UIB contribuye a las actividades prioritarias del libro blanco de análisis de datos de LIGO-Virgo.

El grupo de Relatividad y Gravitación es miembro del Instituto de Aplicaciones Computacionales de Código Comunitario (IAC3) de la UIB y del Instituto de Estudios Espaciales de Cataluña (IEEC). Tiene el apoyo del Ministerio de Economía  y Competitividad, del  Govern de les Illes Balears, de la Red Española de Supercomputación y PRACE,  además de los proyectos Consolider Ingenio CPAN y Multidark.

El futuro de LIGO

A medida que tengan lugar más períodos de observación en los meses y años venideros, los instrumentos serán afinados hasta alcanzar la sensibilidad de diseño final, 10 veces superior a la de LIGO-inicial, permitiendo escuchar las ondas gravitacionales generadas  a distancias tan lejanas como 650 millones de años luz. El aumento de más de un factor de 10 en la sensibilidad viene acompañado también de un incremento significativo del rango de frecuencias sensibles. Esto permitirá a  Advanced-LIGO ver  los últimos minutos de la vida de parejas de agujeros negros masivos y como estos se funden en un único agujero negro. Esta mejora también permitirá identificar con precisión las señales periódicas de muchos púlsares conocidos que irradian en el rango de 10 a 2000 Hertz (frecuencias que corresponden a las notas agudas de un órgano). Advanced-LIGO también se utilizará para buscar el fondo cósmico de ondas gravitacionales, permitiendo probar teorías sobre el desarrollo del universo solo 10-35 segundos después del Big Bang.

Tras la detección de una partícula consistente con el Bosón de Higgs, la física sigue tratando de alcanzar y superar nuevos retos. Ahora, la búsqueda de las ondas gravitacionales se ha convertido en el nuevo gran desafío de la investigación en física. Advanced LIGO podría hacer historia y el grupo de Relatividad y Gravitación de la UIB está preparado para la caza de estas nuevas mensajeras del Universo.

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Fecha de publicación: 19/11/2015