Francis en #rosavientos: Observan el nacimiento de un agujero negro

Dibujo20160214 gw150914 waveform frequency 90 per cent credible regions adv ligo collag

Ya está disponible el audio del podcast de Eureka, mi sección en La Rosa de los Vientos de Onda Cero. Como siempre, una transcripción, unos enlaces y algunas imágenes.

La gran noticia científica de la semana, una de las grandes noticias del año, ha sido el anuncio de la detección directa de ondas gravitacionales gracias a los interferómetros de LIGO. La primera vez que observamos el nacimiento de un agujero negro. Dos agujeros negros de unas 36 y 29 masas solares se han fusionado en unas pocas décimas de segundo para dar lugar a un agujero negro de unas 62 masas solares. En el proceso se han emitido ondas gravitacionales muy intensas, con la energía de unas 3 masas solares. Unos mil millones de años más tarde dichas ondas han llegado a la Tierra. Un 14 de septiembre de 2015 que ha pasado a la historia como el día en el que se observó por primera vez el nacimiento de un agujero negro gracias a las ondas gravitacionales.

Los artículos de LIGO sobre GW150914 son B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration), “Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger,” Physical Review Letters 116: 061102 (11 Feb 2016), doi: 10.1103/PhysRevLett.116.061102, arXiv:1602.03837 [gr-qc]; “Properties of the binary black hole merger GW150914,” arXiv:1602.03840 [gr-qc]; “GW150914: First results from the search for binary black hole coalescence with Advanced LIGO,” arXiv:1602.03839 [gr-qc]; “Observing gravitational-wave transient GW150914 with minimal assumptions,” arXiv:1602.03843 [gr-qc]; también recomiendo “Tests of general relativity with GW150914,” arXiv:1602.03841 [gr-qc].

Sobre el futuro de las ondas gravitacionales recomiendo Benjamin P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration), “Prospects for Observing and Localizing Gravitational-Wave Transients with Advanced LIGO and Advanced Virgo,” Living Reviews in Relativity 19: 1 (2016), doi: 10.1007/lrr-2016-1; “GW150914: The Advanced LIGO Detectors in the Era of First Discoveries,” arXiv:1602.03838 [gr-qc].

En prensa y en blogs el anuncio ha copado muchos titulares. En mi blog puedes leer unas cuantas.

Dibujo20160214 gw150914 search results binary coalescence search adv ligo collag

La gran noticia de esta semana, una de las más importantes del año, es la primera detección directa de una onda gravitacional. Un experimento en EE.UU. ha observado la fusión de dos agujeros negros para formar uno más grande. ¿Exactamente qué es lo que se ha observado? Todos los físicos estamos alucinados. Hemos observado por primera vez en la historia de la humanidad el nacimiento de un agujero negro. Los agujeros negros pueden nacer de dos formas básicas, por el colapso de una estrella y por la fusión de agujeros negros más pequeños. Cuando una estrella con mucha masa muere en una explosión de supernova, su núcleo puede colapsar dando lugar al nacimiento de un agujero negro de masa estelar. Pero un agujero negro también puede nacer a partir de la fusión (coalescencia) o choque de dos agujeros negros más pequeños que forman un sistema binario. Hasta ahora hemos observado los agujeros negros de forma indirecta, gracias a la luz (rayos X) emitida por la materia de sus discos de acreción y por los chorros transversales a dichos discos. La observación directa de sus horizontes de sucesos es imposible por dicho método. El único modo es usar ondas gravitacionales producidas en la fusión de dos agujeros negros. El Observatorio de Ondas Gravitacionales con Inteferometría Láser, llamado LIGO (por sus siglas en inglés, Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) está formado por dos detectores gemelos en EE.UU., uno en Livingston, en el estado de Luisiana, y otro en Hanford, en el estado de Washington, separados por 3030 km de distancia. Tras una serie de mejoras que han costado unos 220 millones de dólares, en septiembre del año 2015 se inició la toma de datos de una versión más sensible de LIGO (Advanced LIGO).

Dibujo20160214 gw150914 signal to noise ratio redshift adv ligo collag

El 14 de septiembre de 2015, por la mañana, hora local, el detector de Livingston observó una señal muy intensa de una onda gravitacional. Los brazos del detector vibraron con una amplitud máxima de 4 attómetros (10−18 m), unas 200 partes del radio de un protón. Siete milisegundos (6,9 ± 0,5 ms) más tarde, se recibió la misma señal en el otro detector de Hanford. La señal, llamada GW150914, es casi idéntica en ambos detectores (solape del 94%), lo que permite limpiar el ruido instrumental y realizar un ajuste teórico de su fuente.

Dibujo20160214 gw150914 hanford livingston ligo signals adv ligo collag

Dos agujeros negros con una masa de unas 36 ± 5 M⊙ (masas solares) y unas 29 ± 4 M⊙, separados unos 800 km y rotando en espiral uno respecto al otro a una velocidad superior al 30% de la velocidad de la luz en el vacío, se fusionaron en dos décimas de segundo dando lugar a un agujero negro final de unas 62 ± 4 M⊙, rotando sobre sí mismo a casi el 70% (0,67 ± 0,07) de la velocidad máxima posible. Durante la fusión de ambos agujeros negros se emitió en forma de ondas gravitacionales una energía enorme, equivalente a unas 3,0 ± 0,5 M⊙. Unos 1300 millones de años más tarde, el 14 de septiembre de 2015, esta onda gravitacional pasó por la Tierra y fue detectada por LIGO. La primera detección directa de las ondas gravitacionales ha permitido la primera observación de un sistema binario formado por dos agujeros negros que se fusionan para dar lugar a un agujero negro de mayor masa.

Dibujo20160214 gravitational waves dailygalaxy com

Hemos observado el nacimiento de un agujero negro de unas 62 masas solares gracias a que ha emitido una energía equivalente a 3 masas solares en forma de ondas gravitacionales. ¿Qué son exactamente las ondas gravitacionales? El año 2015 se celebra el centenario de la teoría general de la relatividad de Einstein, la teoría de la interacción gravitacional que nació en noviembre de 1915. En esta teoría el espaciotiempo es flexible y se curva en presencia de energía y masa. En la gravitación de Newton una fuerza generada por el Sol atrae a la Tierra y la obliga a seguir una elipse a su alrededor. Pero en la gravitación de Einstein no existe esta fuerza, es ficticia, lo que pasa es que el Sol curva el espaciotiempo a su alrededor como una cama elástica y la Tierra se mueve de forma libre, sin que le afecte ninguna fuerza, por este espaciotiempo curvado. La Tierra describe la trayectoria más recta posible en este espaciotiempo curvado, que resulta ser la órbita elíptica de Newton. Las ecuaciones de la teoría de Einstein son ecuaciones matemáticas de tipo onda (hiperbólico-elípticas). Por ello, en 1916 Einstein predijo la existencia de ondas gravitacionales. Si el Sol desapareciera de repente, la Tierra no notaría nada hasta que 8 minutos más tarde le llegara una perturbación en el espaciotiempo, una onda gravitacional. Las ondas gravitacionales son ondas (como olas en el mar), pero del propio tejido del espaciotiempo. Estas ondas gravitacionales se propagan en todas direcciones a la velocidad de la luz. Pero como la gravitación es una interacción muy débil, el efecto de estas ondas es minúsculo.

Dibujo20160214 gravitational waves pulsar orbit decay taylor hulse

La única manera de que podamos detectar una onda gravitacional es gracias a fenómenos muy violentos en el universo, como la fusión de dos agujeros negros, o a cuerpos compactos que rotan a velocidades extremas, cercanas a la velocidad de la luz, como un sistema binario formado por dos estrellas de neutrones (púlsares) que orbitan una respecto a la otra. Las ondas gravitacionales se observaron por primera vez en 1982 gracias al púlsar binario PSR B1913-16 descubierto por Hulse y Taylor en 1974. Su movimiento mostraba una pérdida de energía que coincidía con la calculada por Taylor y Weisberg si era radiada en forma de ondas gravitacionales. Tras casi 30 años de estudios, Taylor y Hulse recibieron el Premio Nobel de Física de 1993 por haber detectado las ondas gravitacionales, aunque de forma indirecta. El observatorio LIGO en EEUU ha logrado la primera observación directa de las ondas gravitacionales, lo que inaugura la astronomía de ondas gravitacionales. Hemos estrenado nuevos “ojos” que nos permiten “ver” objetos que hasta ahora eran invisibles porque no emitían luz. Los sistemas binarios formados por dos agujeros negros, o un agujero negro y una estrella de neutrones, son imposibles de ver salvo usando ondas gravitacionales.

Dibujo20160214 simplified diagram advanced ligo interferometer test masses fabry-perot arm cavities adv ligo collag

Los detectores de ondas gravitacionales son como “telescopios” que usan estas ondas en lugar de usar la luz. ¿Cómo funcionan los dos detectores gemelos de LIGO? La detección directa de ondas gravitacionales es un prodigio de la tecnología de precisión y del ingenio humano. La teoría de la relatividad especial nació gracias a varios experimentos que demostraron que la velocidad de la luz en el vacío es constante para todos los observadores, sin importar el movimiento de quien la mide. El más famoso fue el experimento de Michelson–Morley basado en un interferómetro. Una onda está formada por crestas y valles. Cuando dos ondas se suman puede ocurrir que las crestas y los valles de ambas ondas coincidan, con lo que el resultado es que se hacen más pronunciados, la llamada interferencia constructiva. Pero también puede ocurrir que las crestas de una onda estén donde están los valles de la otra y viceversa, con lo que la onda resultante casi desaparece, la llamada interferencia destructiva. En un interferómetro de Michelson la luz de un láser se divide en dos y se dirige dentro de dos tubos hacia sendos espejos en una configuración en L, donde se reflejan y retornan. Si la longitud de ambos brazos es idéntica se produce una interferencia constructiva, pero si hay un pequeño cambio en la longitud de uno de ellos se produce una interferencia destructiva. Gracias a esta técnica se pueden medir distancias muy, pero muy pequeñas. En el caso de LIGO se usa un láser Nd:YAG de 1064 nm cuya luz se dispara en dos brazos en forma de L cada uno con 4 km de longitud. En lugar de un solo rebote en los espejos el sistema refleja la luz hasta 400 veces (se usa la tecnica de Fabry–Pérot), para aumentar la longitud efectiva de cada brazo. Gracias a ello se pueden medir variaciones en la longitud de cada brazo mucho más pequeñas que la longitud de onda de la luz usada.

Dibujo20160214 ligo sites 3030 km apart hanford washington livingston louisiana adv ligo collag

Para garantizar que la señal de una onda gravitacional sea real, se usan dos detectores gemelos separados por 3030 km (unos 10 milisegundos-luz). El próximo año se usará un tercer detector, llamado Virgo, situado cerca de Pisa, en Italia, que tiene dos brazos de 3 km y usa la misma técnica experimental que LIGO. Gracias al uso de tres detectores se podrán triangular mejor las fuentes que originan las ondas gravitacionales y determinar con precisión cuál es su dirección de origen en el cielo. En un lustro se pretende que haya una red mundial de detectores que actúen como un “telescopio” gigante para ver el universo usando ondas gravitacionales.

Dibujo20160214 gw150914 hanford livingston signals adv ligo collag

En ciencia siempre hay que tener cierto grado de escepticismo. Todos recordamos el fiasco del experimento OPERA y los neutrinos superlumínicos, o la señal de BICEP2 que acabó siendo polvo de la galaxia. ¿Cómo sabemos que en el caso de LIGO no va a pasar lo mismo? Por supuesto, el escepticismo es la actitud más sana ante cualquier primer descubrimiento científico. El artículo científico publicado en la revista Physical Review Letters que protagonizó la rueda de prensa del jueves 11 de febrero de 2016 solo menciona la señal GW150914. La forma de esta onda es de libro de texto y corresponde a la predicción de la teoría de la relatividad general para la fusión de dos agujeros negros (hay bases de datos con todas las formas de onda que son como huellas dactilares de sus fuentes). La relación señal-ruido fue de 24, lo que equivale a 5,1 sigmas de significación estadística. En física, cinco sigmas son un descubrimiento, pero la señales de OPERA o BICEP2 también alcanzaron cinco sigmas. Sin embargo, en esta ocasión todo parece indicar que el descubrimiento es bastante firme. Los más de 1000 investigadores de unas 80 instituciones científicas de 15 países han publicado 10 artículos científicos este jueves. En dichos artículos se analizan los primeros 16 días de observaciones entre el 12 septiembre y el 20 de octubre de 2015. Solo 16 días porque los dos detectores no estuvieron funcionando todo el tiempo. Lo sorprendente es que en esos 16 días se han observado dos señales.

Dibujo20160214 lvt151012 hanford livingston signals adv ligo collag

La señal GW150914 a 5 sigmas y una segunda señal, llamada LVT151012, el 12 de octubre de 2015. Esta señal tiene mucho ruido, la relación señal-ruido es de 10 en lugar de 24, luego tiene baja confianza estadística, solo 2,1 σ. Se interpreta como la fusión de dos agujeros negros en un lugar mucho más lejano, a unos 3000 millones de años luz (1100 ± 500 Mpc), y corresponde a dos agujeros negros con 23 ± 18 y 13 ± 5 masas solares, que se fusionaron para dar lugar a un agujero negro de unos 34 masas solares con la emisión de unas 2 masas solares en radiación gravitacional. Además, uno de los físicos fundadores de LIGO, firme candidato al Premio Nobel de Física en los próximos años, Rainer Weiss del MIT, en una entrevista para el New York Times ha dicho que se han observado al menos otras cuatro señales entre octubre de 2015 y enero de 2016. Se están analizando estas señales, pero todo indica que se trata de fenómenos similares. Por todo ello la opinión de los físicos es que el descubrimiento directo de las ondas gravitacionales por parte de LIGO y la observación de la fusión de agujeros negros es firme y parece fuera de toda duda. Todo apunta a que Weiss, junto a los otros dos fundadores de LIGO, Kip Thorne y Ronald Drever, ambos del CalTech, podrían recibir el Premio Nobel de Física en dos o tres años. Observar el nacimiento de agujeros negros bien merece el máximo galardón de la ciencia.

Dibujo20160214 gw150914 lvt151012 signal to noise ratios adv ligo collag


15 Comentarios

Participa Suscríbete

korikori

Gracias por tu altruismo, Francis!

Hay una pequeña errata: “El año 2015 se celebra el centenario de la teoría general de la relatividad de Einstein, la teoría de la interacción gravitacional que nació en noviembre de 2015″.

GerardoGerardo

Si LIGO puede observar eventos a 3000 millones de años-luz, asumo que la cantidad de eventos que se podrán detectar SERÁ ENORME, ya que en una esfera de ese tamaño seguramente habrá ocurrido de todo.

Lo que le faltaba a LIGO era más sensibilidad, ahora los eventos y datos abundarán (creo yo)

GerardoGerardo

No entiendo por que dicen que algo a cambiado en la comprension de la TGR, SI LAS ONDAS GRAVITACIONALES SE PREDIJERON HACE 80 AÑOS, siempre han estado presentes en la teoria.

Lo unico que cambió (cientificamente hablando) es que de la duda de la existencia, ahora se tiene certeza.

Ahora desde el punto de vista tecnologico se abre una nueva puerta observacional, pero este es otro tema

planck

Me gustaría resaltar varios aspectos increíbles de los agujeros negros por si alguien aún no es consciente de lo fascinantes y extraños que son estos monstruos. La fuente de ondas gravitatorias detectada por LIGO son 2 agujeros negros de Kerr. Un agujero negro de Kerr es un agujero negro en rotación que puede tener hasta ¡3 horizontes¡ El primero sería el horizonte de Killing y al cruzarlo entraríamos en la zona llamada ergosfera. En esta zona el espacio-tiempo es “arrastrado” por el agujero negro en rotación y por tanto todo lo que hay en su interior giraría alrededor del agujero. No es un horizonte de sucesos y en teoría sería posible entrar y salir si se tiene la energía suficiente. Además ¡podríamos entrar y salir con mayor energía de la que entramos! robando energía de la rotación del agujero mediante el llamado proceso de Penrose. Al cruzar el segundo horizonte sí nos veríamos arrastrados hacia la singularidad como al cruzar el horizonte de Schwarzschild pero al llegar al tercer horizonte ¡Se podría volver a salir! Por si todo esto no fuera ya raro la singularidad no es un punto sino que tendría forma de anillo ¡y teóricamente se podría pasar por el centro del mismo! ¡Quien necesita a la ciencia ficción cuando la realidad es más increíble! Hay que decir que nadie sabe que sucede realmente dentro del agujero, las soluciones clásicas y simétricas de Kerr predicen que al atravesar la singularidad por el centro se emergería a otro espacio-tiempo simétrico (un agujero blanco) pero estas soluciones simétricas no reflejan a los agujeros negros reales formados mediante colapso estelar. Además todos estos fenómenos que he descrito son puramente clásicos, los efectos cuánticos tendrían importantes consecuencias por eso necesitamos una teoría cuántica de la gravedad. Ya existen trabajos teóricos donde se tienen en cuenta los efectos de la gravedad cuántica vía dualidad ADS/CFT y cuerdas y los resultados son todavía más increíbles: la no localidad vía entrelazamiento parece ser una característica fundamental del AN y del espacio-tiempo. Para los que estén interesados en estos fascinantes temas pueden leer a partir de la página 164 de este artículo: http://arxiv.org/abs/gr-qc/9712019 (hay un pequeño resumen en mi página por si a alguien le interesa).

ruizvialruizvial

Hay dos puntos que aparecen evidentes en esta fenomenologia cientifica-social que no se han destacado:

1.- Se habla de deteccion directa de ondas gravitacionales: pero su origen es atribuido dentro de una gran area de extension del espacio,. Es eso deteccion directa?. Alguien dira que se ajusta la señal al modelo simulado que deberia tener, bien pero estamos validando el modelo con una modelo simulado de señal que tiene el mismo modelo que se quiere detectar, el cual discrimina la propia fenomenologia (elimina tambien un evento falso-negativo). Es otra cosa la inyeccion de señales falsas al sistema, ya que eso suma en el proceso terrestre de detecion, no al proceso fenomenologico en si.

2. Esta fenomenologia en foma de onda detectada del mismisimo espacio-tiempo, hoy por hoy, quiebra la dualidad onda-curpusculo?. Vivimos tambien en un mundo cuantico.

ruizvialruizvial

Existen razones de que sea real, tienes razon .. pero .. y este es el gran pero de todo este suceso social, es una hipotesis y bastante floja que la señal sea la señal por una coincidencia temporal (la ya hoy “famosa” hipotesis de coincidencia). Se requiere evidencia espaciotemporal real. La señal puede ser real, pero es real o sea hace real por la discriminacion de un modelo relativista que la distingue. No se si se entiende y ahi va el punto .. como se puede decir que hay una evidencia directa de una fluctuacion del mismo espacio temporal, si no hay ninguna otra prueba real que distinga el evento desde una perspectiva espacial mas que la coincidencia entre un punto de una singularidad (estoy dando por sentado que esto pasao como paso) y un volumen gigantezco que representa un area sur del cielo. Asi tal cual, la evidencia es indirecta todavia, dejando de lado algunas nimiedades..

Leo los escritos, y no hay evidencia. Si vamos a simular numericamente … los hechos para comprobarlos con la misma teoria, terminamos con hipotesis absurdas que van a ser presas de toda la carga falsable que tiene a disposicion la ciencia y aqui va el primero y facil: no hay deteccion directa de las ondas gravitacionales todavia por que no se puede (y mejor dicho no se pudo, por que el evento ya fue) comprobar de manera cientifica (empirica) el origen de la señal espacio temporal. Desde cuando decir “señales prometedoras” es algo cientifico, eso es dogma.

Francisco R. Villatoro

Ruizvial, se llama “detección directa” a lo que hace LIGO y se llama “detección indirecta” a lo que se hace con el periodo de púlsares. ¿No te gusta el nombre? Pues lo siento, ese es el nombre. ¿Crees que debería llamarse “detección interferométrica”? Pues quizás tengas razón. Pero, por favor, no lances un hilo enorme de comentarios discutiendo sobre cuestiones lingüísticas que desvíen la atención de la noticia (pues en dicho caso tendré que borrar todo el hilo).

DavidDavid

Tengo una duda, ¿si la longitud de onda de la luz del orden de 10^-6 como es posible realizar una medida de 10^-21 con luz visible en el interferómetro?

wachovskywachovsky

Será un análogo de como en un proceso de manufactura a 28 nm separan transistores en un microchip? Cada vez más cerca del efecto túnel cuántico que lleva al nano chisporroteo y fin de la Ley de Gordon Moore by Intel

wachovskywachovsky

Si el agujero negro en el límite de acreción solo convidaba radiación, información térmica y grageas particulares electromagnéticas (lo que inclute radiación de Hawking; y ahora sí a sus 74 años recién cumplidos un firme candidato al Premio Nobel 2016), en el horizonte de sucesos solo obscuridad y ondas gravitacionales: Schwarzschild calculó su diámetro en 1916 (y se murió hace un siglo ya con solo 42-43 años), Wheeler le puso nombre al condensado máximamente denso y mínimamente extenso de Agujero Negro en 1967… y baste pensar que recién para ese año 1967 flower power antiVietnam inventaron y fabricaron el péndulo de Newton juguetito para verificar el momentum conservatio de Descartes y Newton, cuando ya en el lejano 1783 un tal John Michell especuló (sin espejos) y teorizó con atractores compactos que no dejan escapar la luz de su seno. Michell muerto en 1793 era geólogo, la piedra preciosa negra y condensa ahora verificada es su logro también.

BloodStarBloodStar

Seguramente sea por mi carencias y mi falta de conocimientos, pero no entiendo que se “gastase” tanta masa/energía en generar las ondas gravitacionales.

¿Puedes ampliar algo eso o darme algún enlace para poder entenderlo?

Siento si la pregunta es estúpida.

Deja un comentario

Tu email nunca será mostrado o compartido. No olvides rellenar los campos obligatorios.

Obligatorio
Obligatorio
Obligatorio

Puedes usar las siguientes etiquetas y atributos HTML: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>