El dia oficial del descobriment (detecció) de les ones gravitatòries és l'11 de febrer de 2016. Va ser aleshores, en una roda de premsa a Washington, quan els líders de la col·laboració LIGO van anunciar que un equip d'investigadors havia aconseguit registrar aquest fenomen per primera vegada en la història de la humanitat.
Profecies del gran Einstein
Fins i tot a principis del segle passat (1916), Albert Einstein va suggerir que les ones gravitatòries existeixen en el marc de la Teoria General de la Relativitat (GR) formulada per ell. Només es pot meravellar de les habilitats brillants del famós físic, que, amb un mínim de dades reals, va poder treure conclusions tan profundes. Entre els molts altres fenòmens físics predits que es van confirmar al segle següent (alentiment del flux del temps, canvi de direcció de la radiació electromagnètica en camps gravitatoris, etc.), no va ser possible detectar pràcticament la presència d'aquest tipus d'ones. interacció dels cossos fins fa poc.
La gravetat és una il·lusió?
En general, a la llumLa teoria de la relativitat difícilment pot anomenar força a la gravetat. Aquesta és una conseqüència de la pertorbació o curvatura del continu espai-temps. Un bon exemple que il·lustra aquest postulat és un tros de tela estirada. Sota el pes d'un objecte massiu col·locat sobre aquesta superfície, es forma un rebaix. Altres objectes que es mouen a prop d'aquesta anomalia canviaran la trajectòria del seu moviment, com si fossin "atrets". I com més gran sigui el pes de l'objecte (com més gran sigui el diàmetre i la profunditat de la curvatura), més gran serà la "força d'atracció". Quan es mou a través de la tela, podeu observar l'aparició d'una "ondulació" divergent.
Alguna cosa semblant passa a l'espai mundial. Qualsevol matèria massiva que es mou ràpidament és una font de fluctuacions en la densitat de l'espai i el temps. Una ona gravitatòria amb una amplitud important, formada per cossos amb masses extremadament grans o quan es mouen amb grans acceleracions.
Característiques físiques
Les fluctuacions de la mètrica espai-temps es manifesten com a canvis en el camp gravitatori. Aquest fenomen també s'anomena ondulació espai-temps. L'ona gravitatòria actua sobre els cossos i objectes trobats, comprimint-los i estirant-los. Els valors de deformació són molt petits: uns 10-21 de la mida original. Tota la dificultat de detectar aquest fenomen va ser que els investigadors van haver d'aprendre a mesurar i registrar aquests canvis amb l'ajuda d'equips adequats. El poder de la radiació gravitatòria també és extremadament petit, per a tot el sistema solaruns quants quilowatts.
La velocitat de propagació de les ones gravitatòries depèn lleugerament de les propietats del medi conductor. L'amplitud de l'oscil·lació disminueix gradualment amb la distància de la font, però mai arriba a zero. La freqüència es troba en el rang de diverses desenes a centenars d'hertz. La velocitat de les ones gravitacionals al medi interestel·lar s'acosta a la velocitat de la llum.
Evidència circumstancial
Per primera vegada, l'astrònom nord-americà Joseph Taylor i el seu assistent Russell Hulse van obtenir la confirmació teòrica de l'existència d'ones gravitatòries el 1974. Estudiant les extensions de l'Univers mitjançant el radiotelescopi de l'Observatori d'Arecibo (Puerto Rico), els investigadors van descobrir el púlsar PSR B1913 + 16, que és un sistema binari d'estrelles de neutrons que giren al voltant d'un centre de masses comú amb una velocitat angular constant (un cas força rar). Cada any, el període de revolució, que originalment era de 3,75 hores, es redueix en 70 ms. Aquest valor és força coherent amb les conclusions de les equacions GR que prediuen un augment de la velocitat de rotació d'aquests sistemes a causa de la despesa d'energia per a la generació d'ones gravitatòries. Posteriorment, es van descobrir diversos púlsars dobles i nanes blanques amb un comportament similar. Els radioastrònoms D. Taylor i R. Hulse van rebre el Premi Nobel de Física l'any 1993 per haver descobert noves possibilitats per estudiar els camps gravitatoris.
Ona de gravetat escapada
Primera declaració sobreLa detecció d'ones de gravetat va venir del científic Joseph Weber (EUA) de la Universitat de Maryland l'any 1969. Per a aquests propòsits, va utilitzar dues antenes gravitacionals de disseny propi, separades per una distància de dos quilòmetres. El detector ressonant era un cilindre d'alumini de dos metres d'una peça ben vibrat equipat amb sensors piezoelèctrics sensibles. L'amplitud de les fluctuacions suposadament registrades per Weber va resultar ser més d'un milió de vegades superior al valor esperat. Els intents d' altres científics que van utilitzar aquests equips per repetir l'"èxit" del físic nord-americà no van donar resultats positius. Uns anys més tard, el treball de Weber en aquesta àrea va ser reconegut com a insostenible, però va donar impuls al desenvolupament d'un "auge gravitacional" que va atreure molts especialistes a aquesta àrea de recerca. Per cert, el mateix Joseph Weber va estar segur fins al final dels seus dies que rebia ones gravitatòries.
Millora de l'equip receptor
A la dècada dels 70, el científic Bill Fairbank (EUA) va desenvolupar el disseny d'una antena d'ona gravitacional refredada per heli líquid mitjançant SQUID, magnetòmetres supersensibles. Les tecnologies que existien en aquell moment no permetien a l'inventor veure el seu producte, realitzat en "metall".
El detector gravitacional Auriga es va fabricar d'aquesta manera al Laboratori Nacional Legnard (Pàdua, Itàlia). El disseny es basa en un cilindre d'alumini-magnesi, de 3 metres de llarg i 0,6 m de diàmetre, un dispositiu receptor de 2,3 tones de pes.suspès en una cambra de buit aïllada refredada gairebé fins al zero absolut. S'utilitzen un ressonador de quilograms auxiliar i un complex de mesura per ordinador per fixar i detectar vibracions. Sensibilitat declarada de l'equip 10-20.
Interferòmetres
El funcionament dels detectors d'interferències d'ones gravitatòries es basa en els mateixos principis que l'interferòmetre de Michelson. El raig làser emès per la font es divideix en dos corrents. Després de múltiples reflexions i viatges al llarg de les espatlles del dispositiu, els corrents es tornen a reunir i la imatge d'interferència final s'utilitza per jutjar si alguna pertorbació (per exemple, una ona gravitatòria) va afectar el curs dels raigs. S'han creat equipaments similars a molts països:
- GEO 600 (Hanover, Alemanya). La longitud dels túnels de buit és de 600 metres.
- TAMA (Japó) 300 m d'espatlles
- VIRGO (Pisa, Itàlia) és un projecte conjunt franco-italià llançat el 2007 amb túnels de 3 km.
- LIGO (EUA, Costa del Pacífic), a la recerca d'ones de gravetat des de 2002.
L'últim val la pena considerar-lo amb més detall.
LIGO Advanced
El projecte va ser iniciat per científics de l'Institut Tecnològic de Massachusetts i l'Institut Tecnològic de Califòrnia. Inclou dos observatoris separats per 3 mil km, als estats de Louisiana i Washington (les ciutats de Livingston i Hanford) amb tres interferòmetres idèntics. Longitud del buit perpendiculartúnels és de 4 mil metres. Aquestes són les més grans d'aquestes estructures en funcionament actualment. Fins al 2011, nombrosos intents de detectar ones de gravetat no van donar cap resultat. La important modernització realitzada (LIGO avançat) va augmentar la sensibilitat de l'equip en el rang de 300-500 Hz en més de cinc vegades, i a la regió de baixa freqüència (fins a 60 Hz) en gairebé un ordre de magnitud, arribant a un valor tan cobejat de 10-21. El projecte actualitzat va començar el setembre de 2015 i l'esforç de més d'un miler de col·laboradors es va veure recompensat amb resultats.
Ones de gravetat detectades
El 14 de setembre de 2015, els detectors LIGO avançats amb un interval de 7 ms van registrar ones gravitatòries que van arribar al nostre planeta des del fenomen més gran que es va produir als afores de l'Univers observable: la fusió de dos grans forats negres amb masses. 29 i 36 vegades la massa del Sol. Durant el procés, que va tenir lloc fa més de 1.300 milions d'anys, unes tres masses solars de matèria es van gastar en la radiació de les ones de gravetat en qüestió de fraccions de segon. La freqüència inicial de les ones gravitatòries es va registrar com a 35 Hz i el valor màxim màxim va arribar als 250 Hz.
Els resultats obtinguts es van sotmetre repetidament a una verificació i processament exhaustius, es van tallar amb cura les interpretacions alternatives de les dades obtingudes. Finalment, l'11 de febrer de l'any passat es va anunciar a la comunitat mundial el registre directe del fenomen predit per Einstein.
Fet que il·lustra el treball titànic dels investigadors: l'amplitud de les fluctuacions en les dimensions dels braços de l'interferòmetre era de 10-19m; aquest valor és molt més petit que el diàmetre de un àtom ja que és més petit que una taronja.
Més perspectives
El descobriment confirma una vegada més que la Teoria General de la Relativitat no és només un conjunt de fórmules abstractes, sinó una mirada fonamentalment nova sobre l'essència de les ones gravitatòries i la gravetat en general.
En més investigacions, els científics tenen moltes esperances en el projecte ELSA: la creació d'un interferòmetre orbital gegant amb braços d'uns 5 milions de km, capaç de detectar fins i tot pertorbacions menors dels camps gravitatoris. La intensificació del treball en aquesta direcció pot dir molt sobre les principals etapes del desenvolupament de l'Univers, sobre processos difícils o impossibles d'observar en les bandes tradicionals. No hi ha dubte que els forats negres, les ones gravitatòries dels quals es fixaran en el futur, explicaran molt sobre la seva naturalesa.
Per estudiar la radiació gravitatòria relíquia, que pot explicar els primers moments del nostre món després del Big Bang, es necessitaran instruments espacials més sensibles. Aquest projecte existeix (Big Bang Observer), però la seva implementació, segons els experts, no és possible abans d'aquí a 30-40 anys.
