Física y Quimica

Premio Nobel de Física 2017

Premios Nobel

 

 

 

Fotos y esquemas: Fundación Nobel

Texto: adaptado y traducido de la Fundación Nobel

Más información:

  nobelprize.org

 

Premio Nobel de Física 2017

Barry C. Barish

Kip S. Thorne

Rainer Weiss

"Por las decisivas contribuciones al detector LIGO y la observación de las ondas gravitacionales."

Barry C. Barish (1936). USA

Kip S. Thorne (1940). USA

Rainer Weiss(1932). Alemania

 

Traducción del inglés  Documento Fundación Nobel traducido

El 14 de septiembre de 2015, los detectores LIGO en los Estados Unidos detectaron, por primera vez, como el espacio vibraba con las ondas gravitacionales. Aunque la señal era muy débil cuando llegó a la Tierra, su detección constituyó toda una revolución en astrofísica. Las ondas gravitacionales son una forma totalmente nueva de detectar los acontecimientos más violentos en el espacio y ponen a prueba los límites de nuestro conocimiento.

Las ondas gravitacionales que se han observado fueron originadas en un colosal choque entre dos agujeros negros, hace más de 1000 millones años. Albert Einstein, una vez más, tenía razón. Ha transcurrido un siglo desde que las ondas gravitacionales fueran predichas por su teoría de la relatividad general, pero él siempre había dudado de que pudieran ser detectadas.

Primera onda gravitacional detectada (GW150914)

LIGO, el Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, es un proyecto colaborativo con más  mil investigadores de más de veinte países que han trabajado juntos durante más de cincuenta años.

Los premios Nobel de 2017 han sido, con su entusiasmo y determinación, personas imprescindibles para el éxito de LIGO. Los pioneros Rainer Weiss y Kip S. Thorne, junto con Barry C. Barish, el científico y líder que condujo el proyecto a su culminación, han hecho posible que después de cuatro décadas de esfuerzo las ondas gravitacionales hayan sido observadas.

LIGO no es ningún telescopio normal para detectar la luz y otras radiaciones electromagnéticas procedentes del espacio. Es un instrumento para escuchar las ondas gravitacionales; aunque las ondas gravitacionales son vibraciones del espacio-tiempo, no ondas sonoras, su frecuencia es equivalente a las que podemos escuchar.

Durante décadas los físicos han tratado de detectar estas ondas gravitacionales que sacuden el universo, tal como Albert Einstein predijo hace cien años. Einstein explicó que el espacio y el tiempo son deformables, y que el espacio-tiempo cuadridimensional vibra con las ondas gravitacionales originadas cuando una masa acelera, cuando una estrella explota en una galaxia lejana o cuando un par de agujeros negros giran uno alrededor del otro.

Las ondas gravitacionales nos brindan la posibilidad de observar algo antes impensado, pero durante mucho tiempo no estuvo claro que se pudieran resolver los misterios del espacio-tiempo. Durante años Albert Einstein estuvo convencido de que nunca sería posible medir las ondas gravitacionales, y no estaba seguro de si eran reales o solo una ilusión matemática.

Pero el espacio-tiempo es rígido y no fácil de deformar, por lo que solo los más violentos procesos cósmicos pueden causar ondas gravitacionales suficientemente grandes para ser medidas. Su amplitud, no obstante, es muy pequeña. Detectarlas es equivalente a medir la distancia a una estrella situada a diez años luz con una precisión equivalente al diámetro de un cabello. Además, incluso si el universo entero estuviera vibrando constantemente con las ondas gravitacionales, los acontecimientos más explosivos ocurren raramente en nuestra galaxia. Había que buscar más lejos.

Por fin ha sucedido, las ondas gravitacionales han caído en la rampa de LIGO. Dos agujeros negros que habían colisionado en los inicios del universo han terminado moviéndose en círculos uno alrededor del otro. En cada ciclo, la perturbación producida en el espacio-tiempo, se propaga por el espacio en forma de ondas gravitacionales

Las ondas transportan energía que restan a los agujeros, provocando que se acerquen uno al otro. Su movimiento espiral implica que los agujeros roten cada vez más rápido enviando más y más energía al espacio en una especie de danza acelerada que dura muchos millones de años. Al final, en una fracción de segundo, los horizontes de los agujeros negros se encontraron, precipitándose hacia su fatídico final a casi la velocidad de la luz. Las ondas gravitacionales cesaron de producirse dejando tras de sí un agujero negro sin ningún rastro visible de su dramático nacimiento.

A mediados de los años setenta, a pesar del escepticismo generalizado, tanto Kip Thorne como Rainer Weiss estaban francamente convencidos de que las ondas gravitacionales podían ser detectadas y producir una revolución en nuestro conocimiento del universo. Rainer Weiss ya había analizado posibles fuentes de ruido de fondo que perturbaban sus mediciones. También había diseñado un detector, un interferómetro láser, que superaría este ruido.

Weber, Weiss, Thorne y Drever (fallecido en marzo de 2017) desarrollaron un interferómetro basado en un láser. El principio se conoce hace mucho tiempo: un interferómetro consta de dos brazos que forman una L. En los extremos de la L se colocan unos espejos que reflejan las ondas incidentes. Una onda gravitatoria afectará los brazos del interferómetro de manera diferente modificando su longitud.

Un rayo láser que rebote entre los espejos puede detectar el cambio en las longitudes de los brazos. Si no ocurre nada, los rayos de luz del láser se cancelan mutuamente cuando se reencuentran en el vértice de la L. Sin embargo, si cualquiera de los brazos del interferómetro cambia de longitud, la luz viaja distancias diferentes, por lo que las ondas luminosas se desfasan produciendo un patrón de interferencia donde los haces se encuentran.

 

La idea era bastante simple, pero el diablo estaba en los detalles, así que se tardó más de cuarenta años en llevarla a cabo. Se requieren instrumentos a gran escala para medir cambios microscópicos de longitudes menores que el núcleo de un átomo.

El plan era construir dos interferómetros, cada uno con brazos de cuatro kilómetros de longitud, a lo largo de los cuales el haz láser rebotaría muchas veces, extendiendo así el camino de la luz y aumentando la posibilidad de detectar pequeños contracciones en el espacio-tiempo. LIGO se encuentra en las estepas del noroeste de Estados Unidos, en las afueras de Hanford, Washington, con una instalación gemela a tres mil kilómetros al sur, en los pantanos de Livingston, Louisiana.

Se necesitaron años para desarrollar un instrumento con la suficiente sensibilidad para distinguir las ondas gravitacionales del ruido de fondo. Esto requería un análisis sofisticado y una teoría avanzada, en la cual Kip Thorne era el experto. Pero los más altos niveles de ingeniería creativa y destreza son necesarios para construir instrumentos ingeniosos, y esta fue la contribución pionera de Rainer Weiss.

En 1994, cuando Barry Barish asumió el liderazgo de LIGO, transformó el pequeño grupo de investigación de unas 40 personas en una colaboración internacional a gran escala con más de un millar de participantes. Buscó la experiencia necesaria y reunió a numerosos grupos de investigación de muchos países. El sueño imposible sólo podía hacerse realidad a través de los esfuerzos colaborativos de la gran ciencia.

En septiembre de 2015, LIGO estaba a punto de empezar de nuevo después de una actualización que había durado varios años cuando un mensaje del sistema informático fue enviado temprano, en la mañana del 14 de septiembre de 2015. Era una onda gravitatoria que pasó por Livingston y luego, 7 milisegundos más tarde, moviéndose a la velocidad de la luz, apareció en Hanford, a tres mil kilómetros de distancia.

La forma de la onda era exactamente como se había predicho. Todo encajaba perfectamente. Los pioneros, ahora de 80 años, y sus colegas de LIGO podían escuchar la música con la que tanto habían soñado, como un glissandro, o un pájaro cantando su solitaria canción. Era casi demasiado bueno para ser cierto, pero hasta febrero del año siguiente no se les permitió revelar la noticia a nadie, incluidas sus familias.

El secreto bien guardado, llamado GW 150914, cumplió todas las expectativas. A partir de la señal, los investigadores pudieron averiguar que dos agujeros negros  29 y 36 veces más pesados que el Sol, pero con un diámetro máximo de 200 kilómetros. se fusionaron para formar un agujero negro de alrededor de 62 masas solares, de modo que durante unas pocas décimas de segundo pudieron irradiar energía en forma de ondas gravitatorias equivalente a tres masas solares. Esto hizo de GW 150914 el objeto radiante más poderoso en el universo durante ese breve momento. La señal también indica el área en los cielos meridionales donde ocurrió el acontecimiento violento: a 1300 millones de años luz de distancia. Esto significa que la colisión ocurrió hace 1300 millones de años, en el momento en que la vida en la Tierra estaba pasando de los organismos unicelulares a organismos multicelulares.

LIGO ha detectado otros dos eventos similares desde el primer descubrimiento. Su instalación hermana europea, VIRGO, en las afueras de Pisa en Italia, se unió a LIGO en agosto de 2017 y anunciaron su primer descubrimiento el 27 de septiembre. Los tres detectores observaron las mismas ondas gravitacionales cósmicas el 14 de agosto de 2017; provenían de dos agujeros negros de tamaño mediano que chocaron hace 1800 millones de años.

Hasta el momento, todo tipo de radiación electromagnética y partículas, como los rayos cósmicos o los neutrinos, nos han dado conocimiento sobre el universo. Las ondas gravitatorias, sin embargo, son un testimonio directo de las perturbaciones en el espacio-tiempo mismo. Esto es algo completamente nuevo y diferente, que nos da acceso a mundos nunca antes visitados. Una gran cantidad de descubrimientos aguarda a aquellos que logren captar las ondas gravitacionales e interpreten su mensaje.