El proyecto NINJA: los algoritmos software necesarios para detectar ondas gravitatorias

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La interpretación de los datos experimentales de los detectores de ondas gravitatorias como LIGO, Virgo y LISA requiere un uso intensivo de métodos numéricos en relatividad general. El proyecto NINJA (Numerical INJection Analysis) tiene por objeto desarrollar dichas técnicas que dependen fuertemente del detector considerado. Se acaba de publicar su primer artículo en Classical and Quantum Gravity. Utilizando datos experimentales de ondas gravitatorias simuladas numéricamente por 10 grupos de investigación de todo el mundo, aunque sin incluir ruido en los datos, el artículo demuestra que los algoritmos están a punto y podrán conducir a la detección de ondas gravitatorias. ¿Serán suficientemente sensibles LIGO o Virgo para detectarlas? Los autores del artículo no se mojan y no quieren ofrecer conclusiones al respecto, pero lo que está claro es que si el ruido no degrada los resultados obtenidos por los algoritmos, sí serán capaces de lograrlo. Un primer trabajo alentador que será el punto de partida de futuros estudios que incluyan errores y ruido no gaussiano. Laura Cadonati et al. “Status of NINJA: the Numerical INJection Analysis project,” Class. Quantum Grav. 26: 114008, 2009 [ArXiv preprint].

La red mundial de detectores de ondas gravitatorias basadas en interferometría incluye los 3 detectores LIGO en EEUU, Virgo en Italia, TAMA en Japón, y GEO600 en Alemania. Junto a estos avances experimentales, se ha avanzado mucho en el desarrollo de códigos de relatividad numérica para la simulación de las ondas gravitatorias generados por fenómenos violentos en el universo, como la coalescencia de dos agujeros negros (Binary Black Hole, BBH) coalescences. El objetivo del proyecto NINJA es unir ambos mundos, experimento y simulación numérica, para facilitar la interpretación, siempre difícil de las señales que ofrezcan las instalaciones experimentales actualmente en en uso y las que se desarrollarán en los próximos años (como LISA). Con anterioridad al proyecto NINJA, se utilizaban simulaciones postnewtonianas, sólo válidas cuando dos agujeros negros en colisión están suficientemente alejados. El proyecto NINJA se inició en la primavera de 2008 estando formado por 10 grupos de relatividad numérica y 9 grupos de análisis de datos, con un total de 76 investigadores y 30 instituciones científicas.

Los primeros resultados del proyecto NINJA son esperanzadores, aunque todavía alejados de lo que permitirá el descubrimiento definitivo de las ondas gravitatorias. Las publicaciones del proyecto han empezado a pulular por ArXiv, como Laura Cadonati et al. “Un-modeled search for black hole binary systems in the NINJA project,” ArXiv, Submitted on 12 Jun 2009, y Benjamin Aylott et al. “Status of NINJA: the Numerical INJection Analysis project,” ArXiv, Submitted on 26 May 2009.


14 Comentarios

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Iñigo

¿No es detectar una onda gravitacional detectar por el hilo torsor de una Balanza de Cavendish el acercamiento y alejamiento de una masa de plomo?

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No es posible porque la energía de la onda gravitatoria es extremadamente débil y cualquier vibración molecular de dicha barra (fonón) tiene una energía muy superior. Para una balanza de torsión con masas de 1 tonelada y 1 metro de largo la energía que recibiría de una onda gravitatoria típica es de 10^(-32) J (julios) mientras que la energía de un fonón (vibración molecular de dicha barra) se estima que es 30 veces mayor. Luego es imposible detectar cualquier vibración en la balanza debida al paso de una onda gravitatoria (de las más intensas que podemos esperar detectar en LIGO). Los cálculos están extraídos del artículo Bernard F. Schutz “Gravitational waves on the back of an envelope,” American Journal of Physics 52: 412-419, 1984. De hecho, tampoco es posible detectar sus vibraciones intrínsecas (fonones) ya que las balanzas de torsión más precisas (superconductoras) no pueden medir actualmente energías inferiores a 10^(-10) J.

Sobre posibles fuentes de ondas gravitatorias y la posibilidad de que sean detectables en LIGO podéis recurrir a Bernard F. Schutz, “Gravitational Wave Sources: An Overview,” AIP Conf. Proc. 686: 3-29, October 15, 2003. Quizás sorprenda, pero sólo seremos capaces de detectar fenómenos (gravitatorios) extremadamente violentos.

Iñigo

Me refiero a que el hecho de un hipotetico alejar y acercar de la masa periferica (la de mayor peso en la balanza) induce un campo gravitacional (se supone una curvatura local) variable en las masas pequeñas la cual queda registrada en la torsion del hilo. El hilo se torsiona e incluso puede entrar en fase con la onda gravitatoria generada en el acercamiento y alejamiento de los pesos grandes.

Las ondas gravitaciones provenientes del espacio que se pretenden detectar, son analogos, es decir se basan en una variacion de la posicion de la masa con respecto al tiempo, que para ser detectado se supone debe de corresponder con algun evento de especial virulencia, como estrellas de neutrones orbitando a poca distancia (vease el parecido a una balanza de Cavendish).

emulenewsemulenews

Iñigo, las ondas que comentas son absolutamente indetectables (salvo que algún mecanismo aún desconocido pueda amplificarlas). La gravedad es extremadamente débil. Las ondas detectables en LIGO corresponden a fenómenos que involucran cientos de masas solares. El fenómeno que comentas no sería detectable ni en una balanza de torsión que involucrara masas similares a las del Sol.

Iñigo

No obstante la balanza de Cavendish detecta la influencia gravitatoria de los plomos exteriores, basta con mover estos pesos para generar la onda gravitatoria asociada, la cual los pesos interiores detectaran, porque tiene la sensibilidad suficiente para detectar la influencia gravitacional de los plomos exteriores. De otra forma esta balanza no serviria como sirve para medir G.

emulenewsemulenews

Mide una fuerza en movimiento no una onda gravitatoria. Son conceptos muy diferentes.

Iñigo

Una onda gravitacional es una ondulación del espacio-tiempo producida por un cuerpo masivo acelerado. Unos pesos de plomo exteriores acelerados suponen la creacion de una onda gravitatoria. Que es en efecto detectada por los pesos interiores dado que su influencia lo es y la onda gravitatoria es la forma en la que esta influencia es trasportada.

emulenewsemulenews

Iñigo, tú lo has dicho una oscilación del espaciotiempo, que no hay que confundir con que en un sistema de masas se muevan las masas. ¡Cuidado!

Una onda gravitatoria requiere las ecuaciones de la relatividad de Einstein (luego debe involucrar movimientos de masas a velocidades relativistas, próximas a la velocidad de la luz). Un movimiento de masas a velocidades muy inferiores a la velocidad de la luz (que es lo que estás describiendo en el experimento que comentas) se puede modelar con la gravedad de Newton con absoluta precisión (muchísimos órdenes de magnitud por debajo de lo experimentalmente medible e imaginable que se pueda llegar a medir). Luego no se generan ondas gravitatorias.

Iñigo

Los ondas gravitacionales estan definidas para cualquier frecuencia, no solo para las que comportan velocidades relativistas, para todas, y para cualquier amplitud.

emulenewsemulenews

A veces hay que volver al principio.

¿No es detectar una onda gravitacional detectar por el hilo torsor de una Balanza de Cavendish el acercamiento y alejamiento de una masa de plomo?

A veces una fórmula vale más que mil palabras. La amplitud de ondas gravitatorias entre dos masas (en movimiento asimétrico una respecto a la otra) se puede acotar por la fórmula siguiente, donde Iñigo, puedes sustituir la masa M (en masas solares), periodo P (en segundos) y la distancia r (en Mparsecs) entre las masas de tu balanza de torsión preferida y compara el resultado con la escala de Planck (que se supone es la mínima distancia medible). Lo mismo descubres que una balanza de torsión te permite medir ondas gravitatorias y revolucionas la física moderna.

Iñigo

Señalame donde esta el error:

1º La variacion en la posicion de una masa crea una onda gravitacional asociada.
2º La onda gravitacional interactua con otras masas acelerandolas.
3º Por tanto La variacion en la posicion de los pesos exteriores crea una onda gravitacional la cual acelera los pesos interiores.
4º La aceleracion provocada es registrada por tanto se registra el efecto de la onda gravitacional.
5º La onda gravitacional se detecta.

emulenewsemulenews

La física (ideas sobre la realidad) y la matemática (ideas sobre las ideas) son cosas completamente diferentes. Cero en matemáticas es siempre distinto de muy pequeño. En física, lo no medible (aunque conceptualmente distinto de cero) es como si no existiera (si no es medible, no es físico). Por ejemplo, ¿qué significa que un objeto tenga una masa de 10^(-100) gramos? En la física actual, nada.

Iñigo

No te lo niego, pero no has señalado donde esta el error del razonamiento que expuse.

El hilo torsor si detecta la variacion de la posicion de la masa, y por tanto sufre el efecto de la onda gravitacional asociada. La onda gravitatoria es la forma en la cualquier perturbacion gravitacional se desplaza por el espacio a la velocidad de la luz.

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