Ondas de gravitación

El propio Einstein, en 1918, descubrió que existían soluciones ondulatorias a su ecuación de la relatividad general, del mismo modo que las ondas electromagnéticas son soluciones a las ecuaciones de Maxwell. Dichas soluciones suponen la propagación de ondulaciones del espacio-tiempo, ondas de gravitación a través del vacío, como entidades independientes y con una velocidad igual a la de la luz. Los primeros investigadores no sabían si las ondas gravitatorias serían puras ficciones matemáticas, pero posteriormente se ha visto que son ondulaciones auténticas de la propia geometría espacio-temporal, pues se escriben en función del llamado tensor de curvatura de Riemann. Dicho tensor representa una deformación real de la geometría del espacio-tiempo y no un simple cambio de coordenadas.

Producción de las ondas: Si se perturba violentamente un cuerpo de gran masa, el campo cercano se ajusta rápidamente, pero el campo lejano ha de esperar a que la señal de que la masa se ha movido se propague hasta él con la velocidad de la luz. Por lo tanto existe una deformación progresiva cuya intensidad disminuye en función de 1/(distancia) y no de 1/(distancia)², como la fuerza newtoniana. En el caso sencillo de dos masas iguales (M) unidas por un muelle de longitud x, cada masa individual actúa como un dipolo oscilante, el momento lineal cuadripolar en la dirección x es: Q=Mx². Mientras que el campo electromagnético es un campo vectorial, y por lo tanto pueden generarse ondas electromagnéticas mediante fuentes vectoriales, como pueden ser dipolos eléctricos (una simple carga en movimiento), la gravedad es un campo tensorial, y para estimularlo la fuente debe contener más componentes que un dipolo (vector). Debe contener dos dipolos vectoriales opuestos (dos vectores) formando lo que se llama un cuadripolo. Por lo tanto, se generarán ondas gravitatorias cuando dos masas cercanas se aceleren en direcciones opuestas.

Espín del gravitón: Lejos de la fuente, la onda gravitatoria se desplaza en forma de vibración trasversal del campo. Mientras que para el caso de las ondas electromagnéticas vectoriales podemos considerar su efecto sobre una partícula de prueba cargada, en el caso de las ondas gravitatorias tensoriales necesitamos un sistema de pruebas (o de observación) más complicado que una sola partícula. Un sistema adecuado podría ser un anillo flexible situado perpendicularmente al vector de propagación de la onda. Cuando pasa la ondulación, el anillo se deforma, perdiendo su circularidad. Durante el primer semiciclo la deformación se produce en una dirección, y en el segundo semiciclo el anillo se deforma en una dirección perpendicular. Si observamos las figuras completas de deformación del anillo advertimos un efecto curioso: con un ciclo de onda la deformación del anillo ha dado sólo media vuelta (está boca abajo) y necesita de otro ciclo para dar la vuelta completa. Esto tiene una consecuencia interesante sobre el espín de la onda: si dos ondas tienen igual energía pero una gira el sistema de prueba a la mitad de velocidad, también transporta el doble de momento angular. Comparando los efectos con las ondas electromagnéticas (un ciclo gira 360º la deformación), dado que su cuanto es el fotón, una partícula de espín 1 (h/2Pi), tendremos que asignar espín 2 al cuanto de las ondas de gravitación o gravitón (h/Pi).

Detección de las ondas: Aunque la radiación gravitacional no ha sido aún detectada directamente, hay evidencia indirecta significativa de su existencia. Los físicos Russell Alan Hulse y Joseph Hooton Taylor Jr. descubrieron en 1974 el primer púlsar binario (PSR1913+16). Las observaciones durante varios años han confirmado que el período de rotación de ambos objetos aumenta con el tiempo de la manera predicha por la teoría de la relatividad general, perdiendo energía en forma de ondas gravitacionales. Este descubrimiento se considera como la demostración de la existencia de ondas gravitacionales.

Las mayores esperanzas en la detección directa de las ondas gravitacionales se centran en los fenómenos de extraordinaria violencia que acompañan la formación de los agujeros negos y en las consiguientes experiencias catastróficas en ellos. De hecho, la energía total emitida en forma de ondas garvitacionales durante el colapso de un cuerpo para formar un agujero negro puede oscilar entre el 1% y el 10% de la energía total del mismo: Mc², siendo M su masa. Posteriormente, el agujero puede radiar más ondas gravitatorias cuando se traga nueva materia. La expresión general que nos da la energía total radiada es :

Energía radiada = 0,03 (m/M)mc², siendo m la masa que cae en el agujero y M la masa del mismo. El coeficiente 0,03 es un valor típico que oscila entre 0,01 y 1, según los detalles del caso, como el ángulo de caida, la rotación, etc. Para m mucho menor que M, el resultado de la energía radiada es sólo una fracción pequeña de la masa que cae, pero cuando los valores de M y m son parecidos, la proporción de energía radiada podría ser fabulosa.

El oscilador detector de ondas de gravitación puede ser cualquier cosa, la antena más sencilla es un simple bloque de metal. Lo verdaderamente necesario es una tecnología capaz de medir cambios en la longitud del bloque muy inferiores a 10^-15 metros. A estos niveles, un obstáculo importante es el ruido extraño procedente del interior de la barra, causado por el movimiento de agitación de sus átomos. Este ruido, a la temperatura ambiente, ya produce unas fluctuaciones del orden de 2 x 10^-16metros. Ese minúsculo sonido de los átomos de la barra chocando entre sí es capaz de ahogar el tintineo causado por las efímeras ondas gravitatorias. Para hacernos una idea de su levedad, el colapso de una estrella de diez masas solares y su conversión en un agujero negro en el centro de nuestra galaxia produce unos efectos, en una barra detectora situada en la Tierra, traducibles en cambios de longitud del orden de 10^-17 metros.

El futuro: La detección de las ondas de gravitación nos abriría una nueva ventana a los orígenes de nuestro universo, pues, mientras las ondas electromagnéticas (ópticas o de radio) adolecen de una limitación fundamental, no pueden penetrar mucho en la materia y sólo transportan información sobre los rasgos superficiales de la fuente, las ondas de gravitación nos pueden mostrar los procesos que dan la energía a las estrellas y permanecen ocultos en sus entrañas. Además, las ondas gravitacionales pueden retumbar a través del universo desde el primer momento concebible del Big Bang, y transportar información sobre épocas que son anteriores, en más de cincuenta potencias de diez, a las correspondientes señales electromagnéticas.


Fuente:" En busca de las ondas de gravitación", Paul Davies. Salvat Editores S.A. Barcelona