Les ones gravitacionals

La llibreta d'Einstein

L'any 1915, Albert Einstein deixava escrit amb boli en un paper la seua teoria general de la relativitat on se'ns presentava un espai-temps 4-dimensional que no era pla sinó que es deforma davant la presència d'objectes de gran massa com el Sol. 

Equacions d'Einstein de la Relativitat General

Perquè es facin la idea, l'espai-temps es deforma com si per sobre d'un llençol aguantat a l'aire per les puntes s'hi posa una pilota. La pilota corba el llençol com les grans masses corben l'espai-temps. però, i si aquest objecte tan gran que pot deformar l'espai-temps es mou molt ràpid? Podria aquest moviment d'objectes massius provocar ones com les que es produeixen quan llencem una pedra dins d'un estany d'aigua en repòs? La resposta està en les ones gravitacionals que Einstein postulà. D'això ja fa 100 anys perquè aquestes suposades ones gravitacionals són molt difícils d'observar ja que és molt difícil sacsar masses enormes per poder-les provocar i més si s'intenta fer un un laboratori. De fet, el mateix Einstein, l'any 1936 pensava que aquestes ones eren simplement un mer fenomen matemàtic sense cap mena de gràcia des d'un punt de vista físic.

Deformació de l'espai-temps

Deformació de l'espai-temps mitjançant ones

Les ones gravitacionals es formen en l'espai, per exemple, per violentes interaccions entre estrelles i aquestes es propaguen en totes les direccions (com quan llença una pedra a l'aigua i les ones es van propagant en circumferències concèntriques) a la velocitat de la llum. Aquestes ones poden arribar tranquil·lament a la Terra i podríem detectar-les d'alguna manera o altra. A diferència de les ones formades en l'aigua, en què si vostè està damunt d'un matalàs inflable a la platja li provocaran un moviment harmònic amunt i avall, les ones gravitacionals poden passar a través d'un cos i produir-li un estirament i contracció a causa de la deformació de l'espai-temps que provocaria. Si una ona gravitacional arriba a l'espai-temps que envolta el seu croissant d'esmorzar provocaria que una de les banyes s'allargués i l'altra s'escurcés.

Deformació de l'espai-temps per culpa de les ones gravitacionals.

Aquestes ones gravitacionals quan arriben a la Terra són tan i tan petites que no notem els seus efectes. S'imaginen unes ones contraent els tigres de la gàbia del zoo? Clar, i això fa que els físics portin 100 anys intentant detectar aquestes ones gravitacionals. Com podríem detectar-les? Amb aquest estirament i contracció provocat podríem usar dos barres perpendiculars, així quan una s'estirés l'altra es contrauria. Doncs bé, els físics s'han inventat una cosa similar a aquesta però enlloc de dos barres han fet servir un làser que es descompon en dos parts que són enviades en direccions perpendiculars per ser reflectides en miralls situats al final d'una distància concreta (4 km en aquest cas). Aquesta tècnica s'anomena interferometria. I això és el que es va fer en l'observatori LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) a Hanford (EUA). 

Observatori LIGO de Hanford.

Ja fa anys que s'intenta mesurar l'existència de les ones gravitacionals. L'any 1974, els físics Russell Hulse i Joseph Taylor van intuir-les a causa d'una pèrdua d'energia en un sistema de púlsars després de 30 anys de recopilació de dades. Aquest fet els suposà el Premi Nobel de Física l'any 1993.

Observacions de Russel i Taylor

Doncs bé, aquest dijous 11 de febrer, LIGO ha anunciat en roda de premsa l'esperada observació d'ones gravitacionals. Segons la portaveu, l'argentina Gabriela González, els detectors de LIGO han mesurat les ones gravitacionals a partir de la col·lisió de dos forats negres fa mil tres-cents milions d'anys, dels quals també s'han entretingut a mesurar-ne la massa i la distància. Aquesta mesura de LIGO arribà a la Terra el 14 de setembre de 2015, però els científics s'ho tenien callat fins ara després d'haver fet totes les comprovacions pertinents. Les masses dels forats negres eren de 36 i 29 masses solars, i el forat negre resultant tenia una massa de 62, així que les 3 masses que faltaven van ser emeses com a ones gravitacionals. Però i els braços de llum? S'han encongit i allargat? Segons explica @pmarsupia en el seu bloc, el braç A mesuraria 3,999999999999999999999 km i el braç B 4,000000000000000000001 km... Les mesures han estat realitzades amb un error absolut de 10^-21. Brutal! Des de la infinitat dels forats negres fins a l'error absolut més petit. Són les matemàtiques. És la ciència.

Ara se'ns obre tot un nou món interessantíssim. Quan el 1887 Henry Hertz descobrí les ones electromagnètiques no tenia ni idea per a què servien. Ara gràcies a les ones electromagnètiques pot estar llegint aquest article.

P.D: Compte no confondre les ones gravitacionals amb les ones de gravetat, que es formen quan es produeix una pertorbarció en un fluid en un camp gravitatori.

Altres referències:

- Les ones gravitacionals explicades per LIGO.

- "On gravitational waves" d'Albert Einstein (1936).

- 100 anys d'ones gravitacionals en imatges a Nature.com.

-"¿Cómo explicarle las ondas gravitacionales a tu abuela?" de Principia Marsupia.
-Les ones gravitacionals en còmic.
-El monologuista científic Javier Santaolalla explica en 3 minuts les ones gravitacionals.