EL GRAVITÓN Y LAS ONDAS GRAVITACIONALES

 

Como hemos visto, el concepto de campo gravitatorio trajo un gran avance al estudio de la Gravitación al sustituir una interpretación de la fuerza gravitatoria entre dos cuerpos como una acción "a distancia", por otra donde se atribuye al campo creado por uno de ellos el mecanismo de la interacción. Posteriormente a este avance, se desarrolló la Mecánica Cuántica, y en el marco de la misma se ha generado una nueva interpretación de las interacciones.
 

 

La concepción actual considera que toda interacción se debe al intercambio de partículas mediadoras que portan el campo de fuerza correspondiente. La partícula elemental mediadora se concibe como un tipo de excitación de un campo (de acuerdo con la dualidad onda-partícula), entendiendo que es el cuanto del campo lo que se transmite en una interacción y es intercambiado entre los objetos que se ejercen fuerza.
 

De acuerdo con estos conceptos, la interacción gravitatoria se debería asociar al intercambio de partículas mediadoras, llamadas gravitones, y el campo gravitatorio debería viajar por el espacio en forma de ondas gravitacionales (Del mismo  modo que las cargas aceleradas emiten ondas electromagnéticas, las masas aceleradas han de emitir ondas gravitacionales). Esta interpretación de las interacciones se aplica con éxito a la fuerza electromagnética (intercambio de fotones), a la interacción débil (mediación de otras partículas llamadas bosones W y Z) y a la interacción fuerte (intercambio de gluones). Sin embargo, existen problemas asociados a la forma en que opera la gravedad, que, de momento, impiden desarrollar exitosamente una teoría cuántica gravitatoria simple.

  

 

Uno de estos problemas se debe a la forma como se debería comportar el gravitón, en comparación a como lo hace, por ejemplo, el fotón en la interacción eléctrica. En las interacciones eléctricas, los fotones no actúan directamente entre ellos, sino sólo con las partículas cargadas que se atraen o se repelen. En cambio, la gravedad no funciona de una manera tan simple, porque que los gravitones sí podrían interactuar entre ellos. Los hechos experimentales demuestran que la gravedad se crea por cualquier forma de energía (la masa es una forma particularmente condensada de energía, según la relación establecida por la ecuación de Einstein, Eo = mc2) y esto complica enormemente la interpretación teórica de las interacciones gravitatorias.

 

Además, la detección del experimental del gravitón es una tarea muy problemática. Esta partícula muy probablemente no tiene masa, y si la tuviera sería casi insignificante. La mayoría de los físicos apuestan por un alcance infinito de la fuerza gravitatoria y, en coherencia con ello, por una masa nula del gravitón (igual que sucede con el fotón). Pero, incluso si no fuera así, los cálculos a partir del alcance medido de la interacción gravitatoria darían un máximo posible de masa al gravitón de unos 10-69 kg (cien billones de cuatrillones de veces más ligero que un electrón). En cualquier caso, el gravitón porta muy poca energía, y esto hace muy difícil su detección por los débiles efectos que puede ocasionar.  
 

Sí se han producido, en cambio, grandes avances en la detección de ondas gravitacionales. Durante bastantes años, la existencia de dichas ondas solamente su pudo probar experimentalmente de forma indirecta, hasta que en febrero de 2016 se ha logrado el hito de de detectarlas directamente.
 

 

Joseph H. Taylor
 

El experimento pionero que mostró de forma indirecta las ondas gravitacionales lo realizaron Taylor (1941- ) y su alumno de tesis Hulse en 1974. Buscaban púlsares en nuestra Galaxia, para estudiar aspectos de la evolución estelar y de la evolución galáctica, y se fijaron especialmente en uno, binario, que les llamó la atención por ser un sistema estelar doble, uno de cuyos cuerpos no emite radio-señales. Una vez medidas las pulsaciones y el movimiento del pulsar, comprobaron una disminución de su período orbital y lo interpretaron como una indicación de la existencia de ondas gravitacionales emitidas entre ellos (los componentes de un sistema binario siguen trayectorias curvas, por tanto, aceleradas). Por este trabajo se les concedió en 1993 el Premio Nobel de Física.
 
"Probamos la existencia de ondas gravitacionales" (,Entrevista a J.H. Taylor en Barcelona, El Pais 21/12/2005)
 

Desde entonces se han descubierto unos 50 púlsares semejantes, pero el encontrado por Taylor y Hulse sigue siendo el mejor para hacer mediciones relativistas. Una de las razones es que hace falta mucho tiempo de observación para acumular los datos necesarios para detectar el efecto relativista y la mayoría de los pulsares se han descubierto recientemente.
 

En 2012, se obtuvieron en el Gran Telescopio Canarias resultados experimentales análogos, referidos ahora a un sistema binario de enanas blancas (las enanas blancas son remanentes de estrellas como el Sol que ya han agotado su combustible nuclear). Dichos resultados confirmaron que las dos estrellas, probablemente a causa las ondas gravitacionales que emiten, orbitan cada vez más rápido y se están acercando entre sí.

Las ondas gravitacionales de dos enanas blancas avalan las teorías de Einstein (Abc.es, EFE, 29/08/2012)

  

 

Mencionados estos experimentos que mostraron indirecta las ondas gravitacionales, nos referimos al gran hito que se ha alcanzado en el experimento LIGO (Observatorio de interferometría láser de ondas gravitacionales), en el que finalmente se ha logrado el hito de detectarlas directamente.

 

 

LIGO es el instrumento óptico de precisión más grande del mundo, que comenzó en 1984 de la mano de Kip Thorne, titular de la cátedra Feynman del Instituto Tecnológico de California (Caltech), y de Reiner Weiss, catedrático de física en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT). Consta de dos detectores separados por 3000km, uno en Luisiana y otro en el estado de Washington.. Ambos están compuestos por dos haces de luz láser, cuya longitud exacta de 4 km sería modificada por una onda gravitacional. El instrumento es capaz de detectar una variación equivalente a la diezmilésima parte del diámetro de un núcleo atómico, lo que supone la medida más precisa hecha nunca por un instrumento científico.

 “Hemos visto una tormenta en la que se podría viajar en el tiempo” (Entrevista a Kip Thorne)
 

El experimento LIGO, para la detección de ondas gravitacionales, realiza simulaciones con superordenadores que reproducen, aplicando las leyes de la relatividad, todos los fenómenos que podrían producir dichas ondas: parejas de estrellas de neutrones, supernovas, agujeros negros, etc. Estas simulaciones se comparan con frecuencia de la señal real que capta el LIGO y así se sabe cuál es la fuente de las ondas.
 

Las ondas gravitacionales se detectaron en septiembre de 2015 y los resultados se han dado a conocer en febrero de 2016. Se produjeron por la fusión de dos agujeros negros, de 36 y 29 masas solares, en uno sólo de 62 masas solares. La diferencia (3 masas solares)  se convirtió en una oleada de energía y se calcula que entre perturbaciones gravitatorias (como las ondas gravitatorias detectadas) y radiación electromagnética, el violento proceso desprendió tanta energía como emite nuestro Sol en 15 billones de años.

 

Descubierta la primera señal de ondas gravitacionales (El pais, 11/02/2016)

Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger  (Physical Review Letters, 2016)
 

 
 

En un futuro próximo se espera que satélites de tercera generación se lancen al espacio para explorar con mayor detalle las ondas gravitacionales. En este sentido, destaca el proyecto espacial NGO (New Gravitational wave Observatory, antes llamado LISA, Laser Interferometer Space Antenna), que la Agencia Espacial Europea (ESA) está considerando con el fin de construir un observatorio espacial dedicado a las ondas gravitacionales que podría estar operativo más allá del año 2020. En uno de sus diseños preliminares, el NGO prevé utilizar tres naves espaciales idénticas, ubicadas en los vértices de un triángulo equilátero de cinco millones de kilómetros de lado.

 

 

El centro de dicho triángulo trazará una órbita heliocéntrica en el plano de la eclíptica a una distancia del Sol de una unidad astronómica y 20º por detrás de la órbita terrestre. Esta separación angular con la Tierra es suficientemente grande para que el campo gravitatorio del sistema Tierra-Luna no interfiera en los experimentos y suficientemente pequeña para garantizar una buena comunicación entre la estación espacial y la Tierra.
 

Las tres naves transportarán sistemas ópticos emisores y detectores que les permitirán rastrearse entre sí y que actuarán conjuntamente para medir las ondas gravitaciones que pasen cerca. Cuando las ondas gravitacionales atraviesen la región del espacio en que se encuentren las naves, sus distancias relativas deberán modificarse por una perturbación espacio-temporal, de la que darán cuenta los instrumentos (medirán pequeñas variaciones de fase de los haces láser que las conectan).

Científicos de Barcelona y Baleares participarán en rediseño del observatorio espacial LISA (Elmundo.es, EFE, 18/05/2011)

  

 

El altísimo interés científico en la detección de LAS ondas gravitacionales está más que justificado. Cuando el desarrollo de la tecnología lo permita se abrirá una nueva ventana por la que asomarnos al conocimiento del mundo físico y presumiblemente permitirá explorar fenómenos que son inaccesibles a través de otras vías de acceso consolidadas, como es la del espectro electromagnético.