Qué onda con las ondas gravitacionales? Una explicación sin ecuaciones. Dra. Rosa Martha Torres 27.mar.20181

Transcripción

1 Qué onda con las ondas gravitacionales? Una explicación sin ecuaciones 27.mar.20181

2 El estudio de la astronomía Surgió hace miles de años Las antiguas civilizaciones ya tenían registros astronómicos y eran capaces de predecir ciertos sucesos, como los eclipses solares Debido a que en aquellos tiempos todavía no se había inventado el telescopio, las observaciones eran hechas a simple vista, es decir, sólo teníamos la información de la luz visible que los ojos eran capaces de captar La luz es una onda electromagnética 2

3 Ondas Una onda se determina según la velocidad a la que viaja (v) y su longitud de onda ( ), o frecuencia ( ) Las ondas sonoras se desplazan a una velocidad de 330 m/s en aire La luz, al igual que el resto de las ondas electromagnéticas, viaja a aproximadamente 300,000 km/s, es decir, a la velocidad de la luz (c) 3

4 Elementos de una onda Un ciclo = distancia entre cresta y cresta Cresta Velocidad Línea de equilibrio Amplitud = longitud de onda Valle 4

5 El tamaño de una onda La nos dice cuánto mide una onda Es la longitud entre una cresta y otra, o entre un valle y el siguiente Las unidades de son los metros Una manera similar de medir el tamaño de una onda sería midiendo su frecuencia ( ), o dicho de otra manera, medir cuántas crestas o valles pasan por un punto en un segundo de tiempo Las unidades de son los Hertz (1/s) 5

6 Definición de onda Las ondas son PERTURBACIONES Y transportan ENERGÍA 6

7 Ondas electromagnéticas La luz visible son ondas electromagnéticas y las ondas de radio también lo son La diferencia entre la luz visible y las ondas de radio es que la luz visible tiene una metros, mientras que las ondas de radio tienen una 100 metros 7

8 Espectro electromagnético La luz visible forma parte del espectro electromagnético El espectro electromagnético está conformado por ondas con diferentes longitudes de onda, o frecuencias Las partes en las que está dividido el espectro electromagnético son (de mayor a menor longitud de onda): Ondas de radio: mayores que 187 mm Microondas : de mm Infrarrojo: de 1 mm a 750 nm (1nm = 1x10-9 m) Visible: de nm Ultravioleta: de nm Rayos X: de nm Rayos gamma: menores que 0.01 nm 8

9 Espectro electromagnético 9

10 Observaciones en el visible La astronomía nació con observaciones hechas en el visible, y sin ayuda de ningún instrumento Posteriormente en 1609 Galileo usó un telescopio para apuntar al cielo y le permitió observar objetos celestes Con la ayuda del telescopio lograba ver imágenes más nítidas y de objetos tan tenues que no se alcanzaban a observar a simple vista 10

11 Telescopio de Galileo 11

12 Con el paso del tiempo En los siglos siguientes, la astronomía siguió basándose en el estudio de la luz visible que emitían los objetos celestes La calidad de los telescopios iba mejorando con el tiempo El resto del espectro electromagnético seguía sin ser estudiado, ya que no existían los instrumentos necesarios para hacerlo Fue hasta la Segunda Guerra Mundial cuando fue inventado el radar, dispositivo para localizar y determinar distancias a objetos, como aviones y barcos Al terminar la guerra el radar fue usado para estudiar las ondas de radio provenientes del espacio Es así como se empezó a estudiar otra parte del espectro electromagnético dentro de la astronomía 12

13 Ondas de radio El estudio de las ondas de radio causó una revolución astronómica, ya que la información que éstas nos proveen es completamente diferente a la que podemos adquirir mediante el estudio de la luz visible Por ejemplo, los pulsares (estrellas de neutrones que emiten radiación periódica) fueron descubiertos gracias al estudio de las ondas de radio 13

14 Radiotelescopios 14

15 Observaciones actuales Actualmente se hacen observaciones en todas las bandas del espectro electromagnético Telescopio Espacial Spitzer en el infrarrojo Telescopio Espacial Hubble en luz visible Telescopio Espacial Galex en el ultravioleta Telescopio Espacial Chandra en rayos-x Telescopio Espacial Fermi en rayos gama El estudio en cada banda nos da información diferente sobre el objeto estudiado, ampliando así nuestro conocimiento sobre el universo 15

16 Einstein En 1915 Einstein publicó su trabajo sobre Relatividad General, diez años después de haber publicado su trabajo sobre Relatividad Especial En ambos trabajos se considera que el tiempo es una dimensión más en el espacio, es decir, se introdujo el concepto de espacio-tiempo A grandes rasgos, la diferencia entre la Relatividad Especial y la General es que en la primera no se considera el efecto de la fuerza de gravedad, y en la segunda sí 16

17 Velocidad de la luz (c) El primer postulado de la Relatividad Especial nos dice que la velocidad de la luz es la misma para cualquier observador Usando esta idea se deduce que no existe nada (ningún objeto o ningún tipo de señal) que pueda moverse más rápido que la velocidad de la luz (c 300,000 km/s) 17

18 Espacio-tiempo Por otro lado, la Relatividad General explica que el espacio-tiempo se curva debido a la presencia de objetos con masa Imaginemos que por ejemplo el Sistema Solar es una sábana extendida Si colocamos una esfera pesada sobre la sábana, su superficie se deformará c 18

19 Una masa alrededor de otra Si ahora lanzamos una esfera más pequeña y menos pesada, ésta permanecerá girando alrededor de nuestra esfera masiva Esto es lo mismo que ocurre con el Sol y la Tierra c 19

20 Masas bailando Si movemos a la esfera masiva, este movimiento será propagado a través de la sábana en forma de ondas, como cuando lanzamos una roca a un lago c 20

21 Ondas gravitacionales Este tipo de ondas son predichas en la Relatividad General de Einstein, y son llamadas ondas gravitacionales La Relatividad General también predice que las ondas gravitacionales, como las ondas electromagnéticas, se mueven a la velocidad de la luz Lo único que puede viajar a esta velocidad es las partículas sin masa, la luz y las ondas gravitacionales Aunque en principio puedan parecernos fenómenos iguales, el origen de las ondas electromagnéticas es completamente diferente al de las ondas gravitacionales 21

22 Ondas EM y gravitacionales Las ondas electromagnéticas se generan debido al movimiento de partículas cargadas aceleradas en presencia de un campo electromagnético Las ondas gravitacionales se generan debido al movimiento de grandes cantidades de masa en el espacio-tiempo Un objeto estático, por muy masivo que sea, no generará ondas gravitacionales Para su generación se requiere de que los objetos con masa se muevan 22

23 La fuerza gravitacional Es tan débil, que es muy difícil detectar fluctuaciones producidas por ella, a menos de que se trate de objetos muy masivos Algunos de los objetos que se espera generen una cantidad detectable de ondas gravitacionales son las explosiones de supernova, en las que una gran cantidad de masa es redistribuida; en los sistemas binarios de estrellas; en la formación de un agujero negro; en los choques de dos agujeros negros 23

24 La fuerza de gravedad Si dos personas empezaran a bailar uno alrededor del otro, también se crearían oscilaciones en el tejido del espacio-tiempo, pero estas serían extremadamente pequeñas y prácticamente indetectables La gravedad es muy débil en las escalas de las otras fuerzas del Universo, así que se necesita algo muy masivo y moviéndose muy rápido para crear las distorsiones que nosotros podemos detectar 24

25 Más o menos como una cama de agua No crean ondas: una masa pequeña, una masa grande, dos masas pequeñas moviéndose Sí crean ondas: dos masas grandes moviéndose 25

26 Radiación gravitacional La radiación gravitacional liberada por un sistema binario hace que el sistema pierda energía, o más bien dicho, que la energía sea transportada por las ondas Cuando las estrellas se encuentran muy separadas y se mueven lentamente, la radiación gravitacional que liberarán será muy baja Sin embargo, al irse encogiendo la órbita, más radiación es liberada, la energía se pierde más rápidamente y la órbita se encoge cada vez más 26

27 Dos estrellas de neutrones Si tenemos un sistema formado por dos estrellas de neutrones, la colisión entre las estrellas se dará cuando la separación sea de 20 km aproximadamente, y cada una se estará moviendo a 1/3 de la velocidad de la luz, debido a la atracción gravitacional de su compañera Las ondas gravitacionales generadas en estos casos tendrán típicamente frecuencias de 500 a 1000 Hz o 600 a 300 km: del tamaño de las ondas de radio 27

28 Dos estrellas de neutrones 28

29 Dos agujeros negros Cuando dos agujeros negros chocan, se unen formando un solo agujero negro Es durante el choque de los dos agujeros negros cuando se genera una cantidad importante de ondas gravitacionales Ya que los agujeros son muy grandes (pueden llegar a tener 2.5 millones de veces la masa del Sol), podemos suponer que chocarán cuando su separación sea de unos 30 millones de km, y la frecuencia característica de las ondas será de 1 mhz o 300,000,000 km: más grandes que las ondas de radio 29

30 Choque agujeros negros 30

31 Ondas gravitacionales La última gran diferencia entre ondas gravitacionales y electromagnéticas es que la radiación electromagnética es fácilmente absorbida por la materia en general Esto hace que la información que recibimos por medio de las ondas electromagnéticas esté distorsionada debido a la interacción de las ondas con la materia En cambio, las ondas gravitacionales atraviesan la materia sin verse afectadas por la presencia de ésta 31

32 Ondas gravitacionales Es por esto que detectar ondas gravitacionales es como recibir información invaluable sobre nuestro universo Probablemente estamos en el comienzo de una revolución astronómica comparable o mayor a la ocurrida cuando se dio el estudio de los objetos celestes en otras bandas del espectro electromagnético distintas a la luz visible 32

33 Cómo detectarlas? Si el espacio entre dos personas se estirase o se contrajera nadie notaría nada aunque entre ambas hubiera marcas situadas a igual distancia, porque estas marcas también se estirarían en esa malla c 33

34 Cómo detectarlas? Si el espacio entre dos puntos se estira, entonces la luz tarda más tiempo en ir de un punto a otro Y si el espacio se contrae, la luz tarda menos tiempo en cruzar los dos puntos c 34

35 LIGO Y es aquí donde entra en juego el experimento LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory) c 35

36 LIGO Hanford 36

37 LIGO Livingston 37

38 LIGO 38

39 LIGO 39

40 Ondas gravitacionales Si una onda gravitacional llega a la Tierra, se sentiría más o menos así (exagerando) 40

41 Ondas gravitacionales Lo que haría la onda es encoger y estirar los túneles de LIGO Para medir ese encogimiento y estiramiento, LIGO usa láseres que miden la distancia del túnel El instrumento se llama interferómetro porque mide la interferencia de la luz que viaja por un túnel y otro 41

42 Información de la onda La forma de la onda (lo que hace la onda) nos indica si se trata de una explosión de supernova o si se trata de una colisión de agujeros negros La intensidad de la onda nos dice del lugar que viene la onda, por ejemplo, si es muy débil entonces viene de muy lejos Y el tiempo de diferencia entre Hanford y Livingston nos dice la dirección que lleva la onda 42

43 Interferencia con LIGO 43

44 Simulación choque agujeros negros 44

45 Señal detectada con LIGO 45

46 De qué es la señal? La señal corresponde a los momentos finales, los últimos 0.2 segundos, en la colisión de un par de agujeros negros de 26 y 36 masas solares 46

47 De dónde proviene la señal? Es complicado saberlo LIGO lo que puede decirnos es en qué zona del cielo más o menos se encuentra 47

48 De dónde proviene la señal? 48

49 De dónde proviene la señal? 49

50 Onda para una supernova La onda gravitacional para una explosión de supernova o para dos estrellas de neutrones es diferente que para la colisión de dos agujeros negros c 50

51 Observatorios de ondas gravitacionales LIGO E. U. VIRGO Francia e Italia Geo 600 Alemania y Reino Unido TAMA 300 Japón 51

52 Observatorio LISA 52

53 Einstein Este descubrimiento es la prueba más contundente de la Teoría de la Relatividad General de Einstein 53

54 Ondas gravitacionales El estudio de ondas gravitacionales complementa al estudio que se ha hecho hasta el momento del Universo en el espectro electromagnético Esto es debido a que mediante las ondas gravitacionales se pueden estudiar fenómenos que son imposibles de observar mediante fotones Esto se debe a que las ondas gravitacionales nacen en zonas de muy alta densidad, lo que las hacen ser opacas a los fotones (los fotones no las pueden atravesar) En cambio, los fotones se producen en regiones tenues, donde no se producen ondas gravitacionales 54

55 Por qué no se ha conseguido antes? La precisión requerida es brutal Para el caso de agujeros negros, detectar una onda gravitacional es necesario poder decir cuándo algo ha cambiado en su longitud en unas pequeñas partes de 1023 Es como poder determinar que una barra de metros de longitud (10 veces más grande que la Galaxia) ha encogido sólo 5 mm El efecto de una onda gravitacional es tan minúsculo y tan fácilmente confundible con el ruido en el Universo que se necesita de una inteligente técnica de análisis de datos para llegar a ella Es como intentar identificar una canción que se susurra en una fiesta muy ruidosa desde el otro extremo de la sala 55

56 Por qué es importante el descubrimiento? Imagina que toda tu vida has estado sordo hasta un día en el que vuelves a recuperar este sentido Podrías explorar el mundo de una nueva forma gracias a tu nueva capacidad Esa es la razón de por qué detectar ondas gravitacionales es tan importante Supone una manera completamente nueva de estudiar el Universo Siempre que existe una nueva forma de observar el Universo descubrimos cosas que no esperábamos, cosas que no sabíamos que existían, y examinamos los límites de nuestro conocimiento de la física, testando nuestras actuales teorías sobre cómo funciona el mundo que nos rodea en el espacio 56

57 Fin 57