El rumor sobre las ondas gravitacionales en LIGO

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El detector de ondas gravitacionales Advanced LIGO (aLIGO) ha tomado sus primeros datos durante cuatro meses (del 18 de septiembre de 2015 al 12 de enero de 2016). Un rumor surgió en Twitter al poco de iniciarse la toma de datos (creo que lo lanzó Lawrence Krauss y muchos se hicieron eco). El rumor ha resurgido en enero al finalizar la toma de datos (Krauss afirma que tiene más fuentes para su rumor). Según el rumor, aLIGO ha observado dos agujeros negros en colisión cada uno con al menos 10 masas solares.

Oficialmente, los miembros de aLIGO están callados como tumbas. Los datos se están analizando y no habrá ningún anuncio (ni a favor ni en contra del rumor) hasta que el análisis finalice (suele tardar unos 9 meses). Por tanto, no sabremos nada hasta este verano. ¿Qué opino sobre el rumor? En mi modesta opinión se trata de una falsa alarma.

Más información sobre el rumor en Luboš Motl, “LIGO rumor: a merger of 2 black holes has been heard,” The Reference Frame, 11 Jan 2016; Davide Castelvecchi, “Gravitational-wave rumours in overdrive,” News, Nature, 12 Jan 2016; Shannon Hall, “About The LIGO Gravitational-Wave Rumor…” Sky & Telescope, 13 Jan 2016; y muchos más.

Por supuesto, no hay información oficial específica. Aún así recomiendo la charla de Jocelyn Read, “Gravitational Wave Searches in the Advanced Detector era,” 2016 Aspen Winter Conference on Particle Physics, 15 Jan 2016 [Slides PDF]. Información más general en David Appell, “Gravitational waves,” Physics World 28: 25–28 (Sep 2015), doi: 10.1088/2058-7058/28/9/33, y en The LIGO Scientific Collaboration, the Virgo Collaboration, “Prospects for Observing and Localizing Gravitational-Wave Transients with Advanced LIGO and Advanced Virgo,” LIGO-P1200087, VIR-0288A-12, arXiv:1304.0670 [gr-qc].

Sobre el estado actual de LISA recomiendo Elizabeth Gibney, “Freefall space cubes are test for gravitational wave spotter,” News, Nature 527: 284–285 (19 Nov 2015), doi: 10.1038/527284a; Pedro A. Munar, “Cien años después, la UIB busca comprobar la última predicción pendiente de la teoría de la relatividad general de Einstein,”
El diari de la UIB, 19 Nov 2015; Podcast “Ondas gravitacionales: la música del Cosmos (gravitational waves) con la Dra. Alicia Sintes de la UIB”, Prog 138. La fábrica de la ciencia, 23 Nov 2015.

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Esta figura muestra la famosa señal Big Dog, que se inyectó de forma artificial, pero secreta, en LIGO el 16 de septiembre de 2010. El objetivo era evaluar la capacidad de los científicos de LIGO para superar todas las fases desde un descubrimiento hasta el anuncio final en rueda de prensa. El 14 de marzo de 2011 se convocó en privado a toda la colaboración para preparar el anuncio oficial público de la primera onda gravitacional. En el último minuto de la conferencia se desveló el secreto. Más información en “Los físicos también se entrenan como los jugadores de fútbol de élite”, LCMF, 15 Mar 2013.

En mi opinión nos encontramos en un caso similar. Un rumor tan temprano tiene todos los visos de ser una falsa alarma. Sin embargo, espero equivocarme.

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La sensibilidad de diseño de aLIGO se alcanzará a partir de 2019 (línea negra). La primera fase de toma de datos (que acaba de finalizar) tiene una sensibilidad muy inferior (está dentro de la curva celeste). La figura que abre esta entrada muestra los datos de sensibilidades reales que se han logrado (que están en la región más optimista de la curva celeste).

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Como muestra esta planificación de las tomas de datos de LIGO y VIRGO, todavía estamos en una fase muy temprana. Hasta finales de año (y durante seis meses) no tomarán datos de forma simultánea aLIGO y aVIRGO. Pretender que tan pronto se haya observado la primera señal directa de una onda gravitacional es, cuando menos, muy optimista.

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LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) tiene dos observatorios gemelos en EE.UU., uno en Livingston, estado de Louisiana, y otro en Hanford, estado de Washington. Su objetivo es buscar ondas gravitacionales en colaboración con el interferómetro Virgo, cerca de Pisa, Italia. Entre 2002 y 2010, LIGO no observó nada. Tampoco Virgo. Tras una serie de mejoras su sensibilidad ha ganado un factor de 10 y se ha cambiado de nombre a Advanced LIGO (aLIGO) y Advanced Virgo (aVirgo).

Las mejoras (que en aLIGO han costado 221 millones de dólares) tienen como objetivo reducir el ruido de fondo. Una onda gravitacional debería acortar los brazos de 4 km de aLIGO en tan solo unos atómetros (10–18 m), unas 1000 veces menos que el diámetro de un protón en un núcleo de hidrógeno. También se ha incrementado la potencia de los láseres, de 10 W en LIGO hasta unos 200 W en aLIGO, y las masas de prueba que han pasado de 25 cm de diámetro y 11 kg de peso en LIGO hasta 34 cm de diámetro y 40 kg de peso en aLIGO.

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En LIGO se usa luz en “estado comprimido” (squeezed state) para mejorar la sensibilidad. El principio de indeterminación de Heisenberg afirma que el producto de amplitud y fase está acotado por ℏ/2. El estado “comprimido” reduce la incertidumbre en fase a costa de perderla en amplitud. Advanced LIGO (y aVirgo) usa la misma técnica que ya se usó en GEO600 (Sarstedt, Alemania) desde 2011. En GEO600 sea usa una frecuencia de unos 3 kHz, la luz comprimida mejora la sensiblidad a cambios ondas gravitacionales en un factor de 3,4; en aLIGO el factor será de 6.

El observatorio aLIGO es sensible a las ondas gravitacionales producidas por sistemas binarios de estrellas de neutrones y de agujeros negros en colisión. LIGO Livingston y LIGO Hanford, igual que Virgo en Italia, GEO600 en Alemania y KAGRA en Japón, son interferómetros formados por dos brazos en forma de letra “L”. Al final de cada brazo hay sendas masas de prueba que actúan como espejos para la luz láser incidente que se divide y refleja en múltiples ocasiones (para incrementar el camino óptico total recorrido). Una onda gravitacional cambiará la distancia en el espaciotiempo entre dos puntos del detector y provocará una alteración en los brazos del interferómetro que será detectada. La onda debería dejar una señal (casi simultánea) en Livingston y en Hanford (y en Virgo cuando esté operativo). Gracias a ello se confirmará la detección.

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El cambio en longitud ΔL = h L, donde la longitud L=4 km en LIGO, =2 km en VIRGO y KAGRA, = 0,6 km en GEO600, y el factor h ~ (GM/Dc²)(v²/c²), donde M es la masa que genera la onda gravitacional, v su velocidad característica (del agujero negro o estrella de neutrones) y D la distancia al detector. Para la coalescencia de dos estrellas de neutrones se espera un valor de h del orden de 10–21. Para detectarlas, aLIGO tiene que medir cambios en cada brazo de unos 4×10–18 m.

En cada brazo de LIGO, la luz se refleja hasta 400 veces en una cavidad de Fabry–Perot, multiplicando la distancia y se recombinan los haces en un fotodetector, que mide la diferencia de fase entre ambos haces. El cambio de la luz en cada haz será de Δt =2(ΔL/c) =2hBL/c, donde B es el número de rebotes y el desplazamiento de la fase será de ΔΦ= (2π)f Δt =4πhBL/λ, unos 10–9 radianes, donde f es la frecuencia del láser y λ su longitud de onda.

LIGO fue diseñado para detectar ondas gravitacionales con una frecuencia entre 40 Hz a unos 10000 Hz, con el mínimo de sensibilidad en unos 100Hz. En aLIGO el mínimo de sensibilidad se ha desplazado a solo 10 Hz y se espera que mejore en un factor de 10, es decir, será sensible a valores de h por debajo de 10–22. No puede bajarse más el pico, pues por debajo de 1 Hz, cualquier vibración sísmica crea un ruido imposible de evitar (hay que recurrir al espacio, pero el proyecto LISA de la ESA no tomará datos antes de 2030).

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En España, el grupo de Relatividad y Gravitación de la Universidad de las Islas Baleares (UIB) es pionero en el estudio de las ondas gravitacionales. La colisión de agujeros negros, las explosiones de supernovas y otros fenómenos violentos del universo producen ondas gravitacionales. Se han detectado de forma indirecta gracias a púlsares binarios (Premio Nobel de Física 1993). El UIB participa en los proyectos LIGO (EEUU) y GEO 600 (Alemania y Reino Unido), aunque no lo hace en VIRGO (Francia e Italia).



19 Comentarios

  1. Una vez más el pesimismo de Francis contrasta con el exceso de optimismo de Lubos. Éste no solo está convencido de que el rumor es real sino que afirma que se anunciará oficialmente el próximo 11 de Febrero. ¿Tendrá información privilegiada? Y aunque la tuviese parece imposible saber nada con certeza dado el peculiar método de falsas alarmas que utilizan los jefes del proyecto LIGO. “Escuchar” desde la Tierra un choque entre 2 agujeros negros producido a miles de años luz de distancia mediante ondas que comprimen y expanden el espacio-tiempo a su paso es algo que no pasa todos los días, desde luego, es increíble lo que se puede hacer con la interferometría moderna: la sensibilidad de LIGO equivale a detectar un desplazamiento del tamaño de un átomo en la distancia que hay entre el Sol y la Tierra. ¿Como podemos siquiera llegar a visualizar una cosa así?
    De nuevo la Física moderna predice la existencia de nuevos fenómenos Físicos nunca antes observados: se predijo la existencia de la antimateria, de los quarks, del Higgs, de las ondas gravitatorias…muchos modelos teóricos predicen fenómenos aún más exóticos como la existencia de nuevas dimensiones, de “cuerdas” de energía que vibran o de otros Universos. La verificación de estas nuevas entidades será muy difícil pero si podemos detectar el desplazamiento de un átomo de espesor en una distancia de 100 millones de kilómetros seguro que en un futuro podremos detectar los efectos de dimensiones extra en los valores energéticos del átomo de Hidrógeno, de hecho, ya hay estudios teóricos que demuestran que se puede lograr… ¿Que nos deparará el futuro a corto-medio plazo? ¿Hasta donde seremos capaces de llegar?

    1. Del espectrograma de un interferómetro, no, no es muy complicado (pues se sabe hacer desde hace décadas). El problema es que la señal es muy débil (la relación seña/ruido es mala) y la técnica requiere una comprensión muy precisa del comportamiento del detector (que se suele alcanzar tras mucho tiempo de análisis). En LHC, Planck, LIGO, … los análisis sobre los mismos datos mejoran con el tiempo, aunque muchas veces no se ve tan claro porque además, con el tiempo, también crece el número de datos.

      1. FRancis, cabe dentro de algun marco teorico que el espacio-tiempo no fuera “el’astico” y las ondas se pudieran amortiguar en tan largas distancias?
        Otra cosa, se supone que s’olo afectarian a las coordenadas.espaciales?, gracias

  2. Mi comentario trata sobre él éxito de LIGO en la detección de ondas gravitatorias según la presentación del día de ayer que tuve la ocasión de ver por streaming.
    Entre otros aspectos anunciaron que la velocidad de transmisión de la onda es la de la velocidad de la luz. A éste respecto y oyendo además el sonido de la onda gravitatoria detectada no puedo comprender como el sonido puede transmitirse a la velocidad de la luz y además en medio de vacío interestelar?
    Pueden aclarármelo.
    Muchas Gracias

    1. Jorge, el sonido es una vibración de moléculas/átomos en un medio (sólido, líquido o gaseoso). Las ondas gravitacionales no tienen nada que ver con el sonido, no te confundas, son vibraciones del tejido del espaciotiempo. ¿Por qué en la rueda de prensa hablaron de oír? Porque la onda observada, convertida en sonido, es audible. Para el público general es muy espectacular oír dicho sonido. Pero recuerda, lo observado no tiene nada que ver con el sonido.

      Saludos
      Francis

    2. el sonido de FM puede transmitirse a casi la velocidad de la luz en ondas de radio y a través de un medio interestelar (con la consabida demora por las distancias en horas, días o semanas luz): es lo que se proponen con las Voyager de acá a unos decenios largos cuando alcanzen las 3000 unidades astronómicas o 1/2 año luz

  3. ¿como saben que el acortamiento del brazo de 14km no se debe a ondas sónicas?, lo digo porque solo por la compresión y expansión debido a una onda mecánica por ejemplo un terremoto lejano o el paso de un tren, muy fácilmente podría producir la perturbación no solo de unos nanómetros sino miles de veces más.
    Coincido en que la prueba habría que realizarla en el espacio y ver si se replica. También habría que medirse en los distintos observatorios a ver si la onda vá alcanzando a todos.
    Si funcionara, con cuatro observatorios registrando al mismo tiempo y comparando las ondas se podría descubrir la dirección desde donde se propagan y con un quinto situado a una distancia muy grande (por ejemplo cerca de Urano) se podría medir la atenuación debido a la distancia y así sabre la distancia de la fuente

    1. Javier, lo saben gracias a llevar más de 20 años estudiando dichas señales en sus interferómetros. Tras décadas de estudios pueden distinguir la señal de un coche que pasa cerca del experimento de la de un pequeño terremoto y de la de una onda gravitacional. Cada una tiene su propia huella espectral. Para que lo entiendas, ¿cómo sabes tú la diferencia entre una nota de un piano y de una trompeta? Por experiencia. Lo mismo ocurre en LIGO.

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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 18 enero, 2016
Categoría(s): ✓ Astrofísica • Ciencia • Física • Noticias • Physics • Relatividad • Science
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