Ondas Gravitacionales I: El Concepto

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Volvemos hoy a la cosmología y a Einstein para hablar de ondas gravitacionales. Aunque muchos hemos escuchado hablar de ella, pocos comprenden en profundidad el fenómeno. En esta saga de dos artículos hablaremos primero de el fenómeno en sí, qué es, cómo se produce y por qué son tan difíciles de detectar. En la segunda entrega hablaremos de la historia de la detección de estas ondas y explicaremos uno de los más grandes y recientes éxitos de la física experimental: el detector de ondas gravitacionales LIGO. Empecemos.

En otras ocasiones ya hemos hablado de lo que es una onda: la propagación en el espacio de una perturbación. Pero, ¿qué significa exactamente ésto? Bien, empecemos visualizando las ondas que se producen en un estanque cuando tiramos una piedra al agua. Esas olas u ondulaciones forman lo que llamamos una onda: hemos producido una perturbación al tirar la piedra y ésta se propaga por el resto del estanque. ¿Pero qué se propaga exactamente? Quizás la primera respuesta que se nos ocurre es el agua. Pero ésto no es correcto y podemos verlo con un experimento muy sencillo: si colocamos un corcho sobre la superficie del estanque y luego tiramos la piedra, veremos como el corcho sube y baja con las ondas, pero no se ve arrastrado por ellas. El corcho está adherido a unas moléculas de agua de la superficie, cuando la onda pasa, esas moléculas no son arrastradas hacia la orilla, no viajan, y por tanto el corcho tampoco. Entonces, si no es el agua la que viaja en la onda, ¿qué es? La energía.


Las ondas son propagaciones de energía


Hemos levantado la piedra, lo que le ha dado energía potencial. Al soltarla, esa energía potencial se ha convertido en energía de movimiento o energía cinética. Al chocar con el agua, se ha frenado un poco y esa energía cinética que ha perdido se ha traspasado al agua y ha viajado por ella en forma de onda.

Hay diferentes tipos de onda en función de si necesitan o no un medio material para propagarse: las ondas de sonido son mecánicas, necesitan un medio; la luz u ondas electromagnéticas no necesitan un medio. En el caso del sonido, la energía viaja por el aire, haciendo vibrar sus moléculas. En el vacío no hay partículas que vibren y por tanto el sonido no puede propagarse. En el caso de la luz, lo que vibra es el campo electromagnético, por lo que no necesita ningún medio, se propagan a través del espacio-tiempo.


En el caso de las ondas gravitacionales, lo que vibra es el propio espacio-tiempo. Son las oscilaciones más elementales que podemos imaginar.


El efecto de que sea el espacio-tiempo el que vibre es que las distancias entre dos cuerpos varían:

A pesar de que una necesite medio material y la otra no, las ondas gravitacionales se parecen más a las de sonido: ambas empujan todo lo que encuentran a su paso y la frecuencia a la que vibran las ondas gravitacionales es similar a la de los sonidos audibles, si no fuera porque son muy débiles podríamos oírlas con nuestros propios oídos. Además, el sonido es una onda que depende más del tiempo que del espacio: para entender una conversación no es tan importante dónde esté teniendo lugar, lo importante es escucharla todo el tiempo. En el caso de la luz, con un instante nos basta para ver una imagen completa, no por mirarla más tiempo vamos a verla mejor.


Las ondas gravitacionales son como las ondas de sonido: nos cuentan historias, pero en una voz tan bajita que nos es muy difícil escuchar


¿Por qué son tan débiles las ondas gravitacionales? Bueno, es que la gravedad es la fuerza más débil de la naturaleza, mucho menos intensa que el electromagnetismo o que la fuerza nuclear. A priori no es ésta nuestra experiencia, ¿cómo va a ser débil la fuerza que nos mantiene pegados al suelo? Si cogemos un imán muy pequeñito y lo ponemos sobre un clavo, veremos como el clavo se eleva y se pega al imán. Vaya, qué poco hemos necesitado para vencer a la gravedad que mantenía el clavo en la mesa.

Lo que ocurre es que la gravedad siempre se suma. En el caso del magnetismo, para cada polo positivo tendremos también un polo negativo que le contrarreste. Por cada carga negativa tendremos otra positiva y la fuerza electromagnética total de ese sistema será nula. Sin embargo, en gravedad no existen masas negativas que contrarresten a las positivas. Por ello, aunque la gravedad es una fuerza muy débil, siempre se acumula hasta tener efectos macroscópicos que observamos todos los días. Sin embargo toda la fuerza gravitatoria del planeta Tierra no tiene nada que hacer contra nuestro pequeño imán y su pequeña dosis de fuerza magnética, y el clavo sube.

El despazamiento de todas las masas en el espacio-tiempo producen ondas gravitacionales, pero muy débiles.


La Tierra girando alrededor del Sol produce una onda gravitacional cuya potencia es de unos pocos cientos de vatios. La potencia de una batidora de casa estándar está entre los 500 y los 1200 vatios.


Si la energía gravitatoria es tan débil, ¿cómo vamos a poder detectar la onda en la que se propaga esa energía por el espacio-tiempo? Pues, en primer lugar, necesitamos tirarle al estanque una pierda enorme, para provocar una perturbación colosal, que se propague en la onda más grande que podamos. En segundo lugar necesitamos un micrófono muy potente, que sea capaz de detectar una perturbación muy pequeñita y amplificar esa señal hasta que podamos detectarla. Necesitamos una colisión de agujeros negros y a LIGO.

Pero eso os lo cuento en el siguiente artículo: