Ondas gravitacionales detectadas que confirman la teoría de Einstein

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Hace unos cien años, Einstein predijo la existencia de ondas gravitacionales, pero hasta ahora, eran indetectables. Por DENNIS Overbye, JONATHAN CORUM y Jason Drakeford en Fecha de publicación 11 de febrero de 2016. Foto por la representación del artista / Simulación de eXtreme Espaciotiempos .

Un equipo de científicos anunció el jueves que habían oído y grabado el sonido de dos agujeros negros en colisión de mil millones de años luz de distancia, un chirrido fugaz que cumplió la última predicción de la teoría general de la relatividad de Einstein.

Ese tono ascendente débil, los físicos dicen, es la primera evidencia directa de ondas gravitacionales, las ondulaciones en el tejido del espacio-tiempo que Einstein predijo hace un siglo. Se completa su visión de un universo en el que el espacio y el tiempo están entretejidos y dinámicos, capaces de estirarse, encogerse y agitarse. Y es una confirmación de llamada de la naturaleza de los agujeros negros, los pozos gravitacionales sin fondo de la cual ni siquiera la luz puede escapar, que eran la parte más olvidada (y no tan bien recibida) parte de su teoría.

Transmitida por estas ondas gravitacionales, potencia 50 veces mayor que la salida de todas las estrellas en el universo combinado vibró un par de antenas en forma de L en el estado de Washington y Louisiana conocido como LIGO el 14 de septiembre.

En caso de repetirse por los futuros experimentos, el chirrido simple, que se elevó a la nota de C media antes de detenerse bruscamente, parece destinado a ocupar un lugar entre los grandes fragmentos de sonido de la ciencia, la clasificación con Alexander Graham Bell “Sr. Watson – venido aquí “y las primeras señales sonoras de Sputnik desde la órbita.

“Todos estamos en la luna y de regreso , ” dijo Gabriela González de la Universidad del Estado de Louisiana , una portavoz de la Colaboración Científica LIGO , abreviatura de Interferómetro Láser Observatorio gravitacional -Wave . ” Einstein sería muy feliz , creo. ”

Los miembros del grupo LIGO , un equipo de científicos de todo el mundo, junto con científicos de un equipo europeo conocido como la Colaboración Virgo, publicaron un informe en la revista Physical Review Letters el jueves con más de 1.000 autores .

“Creo que este será uno de los mayores avances en la física durante mucho tiempo”, dijo Szabolcs Marka , un profesor de la Universidad de Columbia, que es uno de los científicos de LIGO .

” Todo lo demás en la astronomía es como el ojo “, dijo , refiriéndose a la panoplia de los telescopios de los astrónomos que han dado acceso a más y más del espectro electromagnético y la capacidad para mirar más profundamente en el espacio y el tiempo. ” Finalmente , la astronomía creció oídos . Nunca tuvimos oídos antes ” .

Tan esperado triunfo

El descubrimiento es un gran triunfo para tres físicos – Kip Thorne , del Instituto de Tecnología de California , Rainer Weiss, del Instituto de Tecnología de Massachusetts y Ronald Drever , antes de Caltech y ahora retirado en Escocia – que apuestan sus carreras en el sueño de la medición de la más inefable de las nociones de Einstein.

Tecnopia-Einsteinteam
Miembros importantes en el proyecto LIGO , de izquierda a derecha : Kip Thorne , del Instituto de Tecnología de California , Francia A. Córdova de la Fundación Nacional de Ciencia , Rainer Weiss, del Instituto de Tecnología de Massachusetts , David Reitze de Caltech y Gabriela González del Estado de Louisiana Universidad. Crédito Lexey Swall de The New York Times

“Hasta ahora, los científicos sólo han visto deformado espacio-tiempo cuando está en calma”, dijo el doctor Thorne en un correo electrónico. “Es como si sólo habíamos visto la superficie del océano en un día tranquilo, pero nunca había visto que se agitaba en una tormenta, con olas.”

Los agujeros negros que LIGO observaron, crearon una tormenta “en el que el flujo del tiempo acelerado, a continuación, se desaceleró, para luego acelerarse”, dijo.

“It’s been decades, through a lot of different technological innovations,” France Córdova, the foundation’s director, said in an interview, recalling how, in the early years, the foundation’s advisory board had “really scratched their heads on this one.”

“Ha sido décadas, a través de una gran cantidad de innovaciones tecnológicas,” Francia Córdova, la directora fundadora, dijo en una entrevista, recordando que, en los primeros años, la junta asesora de la fundación “se rascaban la cabeza en este caso.”

Palabra del éxito de LIGO se encontró con hosannas en la comunidad científica, aunque con las advertencias necesarias de la necesidad de confirmación o la replicación.

“Me estaba volviendo loco”, dijo Janna Levin, un teórico en el Barnard College de Columbia, que no formaba parte del LIGO, pero se le concedió una primera impresión de los resultados para su libro sobre el proyecto, “Black Hole Blues, “que se publicará esta primavera.

Robert Garisto, el editor de la revista Physical Review Letters, dijo que había conseguido la piel de gallina al leer el documento LIGO.

Las perturbaciones elusivas

Cuando Einstein anunció su teoría en 1915 , volvió a escribir las reglas para el espacio y el tiempo que había prevalecido durante más de 200 años , desde la época de Newton , que establece un marco estático y fijo para el universo . En lugar de ello , dijo Einstein , la materia y la energía distorsionar la geometría del universo en la forma de un sueño pesado provoca un colchón a ceder, produciendo el efecto que llamamos gravedad.

Un par de antenas en forma de L , conocido como LIGO , en Hanford , Washington . , Izquierda, y Livingston , La. , Detecta las ondas gravitatorias el 14 de septiembre de crédito Lab - Caltech M.I.T. - LIGO
Un par de antenas en forma de L , conocido como LIGO , en Hanford , Washington . , Izquierda, y Livingston , La. , Detecta las ondas gravitatorias el 14 de septiembre de crédito Lab – Caltech M.I.T. – LIGO

Una alteración en el cosmos podría causar el espacio-tiempo para estirar, colapso e incluso se agitan, como un colchón de cama que sacude cuando se da la vuelta, produciendo ondas de gravedad: las ondas gravitacionales.

Einstein no estaba muy seguro acerca de estas ondas. En 1916, se dijo Karl Schwarzschild, el descubridor de los agujeros negros, que no existían las ondas gravitacionales, entonces dijeron que lo hicieron. En 1936, él y su asistente Nathan Rosen se dispuso a publicar un documento de desacreditar la idea antes de hacer la misma flip-flop de nuevo.

De acuerdo con las ecuaciones físicos han asentado en, ondas gravitacionales comprimiría espacio en una dirección y se extienden en otro a medida que viajaban hacia el exterior.

En 1969, Joseph Weber, un físico de la Universidad de Maryland, afirmó haber detectado ondas gravitatorias utilizando un cilindro de aluminio de seis pies de largo como una antena. Las olas de la frecuencia correcta haría que el anillo de cilindro como un tenedor de sintonía, dijo.

Otros no podían duplicar su resultado, pero pocos dudaron de que las ondas gravitacionales eran reales. experimento del Dr. Weber inspiró a una generación de científicos para buscar más difícil para las marcas de Einstein sobre el universo.

En 1978, los radioastrónomos Joseph H. Taylor Jr. y Russell A. Hulse, a continuación, en la Universidad de Massachusetts Amherst, descubrieron un par de estrellas de neutrones, restos de estrellas muertas superdensas, orbitando entre sí. Uno de ellos era un pulsar que emite un haz de radiación electromagnética periódica. Midiendo el tiempo de sus impulsos, los astrónomos determinaron que las estrellas estaban perdiendo energía juntos precisamente en el rango que se esperaría si estuvieran irradiando ondas gravitacionales.


Los científicos anunciaron que finalmente habían detectado las ondas gravitacionales , las ondulaciones en el tejido del espacio-tiempo que Albert Einstein predijo hace más de un siglo. Por Reuters el Fecha de publicación 11 de febrero de 2016. Foto por Andrew Harnik / Associated Press.

El Dr. Hulse y el Dr. Taylor ganaron el Premio Nobel de Física en 1993 .

Otro grupo de astrónomos que van por el nombre de bíceps fue noticia en 2014 cuando afirmó haber detectado ondas gravitacionales desde el comienzo de la gran explosión , usando un telescopio en el Polo Sur . Más tarde se reconoció que sus observaciones probablemente habían sido contaminadas por polvo de estrellas interestelar.

Un proyecto quijotesco

El Dr. Thorne de Caltech y el Dr. Weiss, de M.I.T. reunió por primera vez en 1975, dijo el Dr. Weiss, cuando tuvieron que compartir una habitación de hotel durante una reunión en Washington. El Dr. Thorne ya era un reconocido teórico del agujero negro, pero que estaba buscando un nuevo territorio experimental para vencer. Se quedaron toda la noche hablando acerca de cómo probar la relatividad general y debatir la mejor forma de búsqueda de ondas gravitacionales.

El Dr. Thorne entonces reclutó Dr. Drever, un experimentador dotado de la Universidad de Glasgow, para iniciar un programa de ondas gravitacionales en Caltech. El Dr. Drever quería utilizar la luz – rayos láser que rebotan entre los espejos colocados precisamente – para detectar la contracción y el estiramiento de una ola que pasa.

El Dr. Weiss intentó montar un esfuerzo similar al M.I.T., también utilizando el enfoque de láser, pero en el momento, los agujeros negros no estaban de moda allí. (Las cosas están mejor ahora, dijo.)

Las probabilidades estaban en contra tecnológicos ambos esfuerzos. Los investigadores calcularon que una típica onda gravitatoria de fuera en el espacio sería cambiar la distancia entre un par de espejos en una cantidad casi imperceptible: una parte por mil millones de billones de dólares. El Dr. Weiss recordó que cuando explicó el experimento a sus potenciales proveedores de fondos de la Fundación Nacional de Ciencias, “todo el mundo pensaba que estábamos fuera de nuestra mente.”

En 1984, a la molestia del Dr. Drever y el alivio del Dr. Weiss, la Fundación Nacional de Ciencia ordenó a los dos equipos a fusionarse. El Dr. Thorne encontró en el doble papel de evangelista para el campo de las ondas gravitacionales y el corredor de desacuerdos experimentales.

El progreso fue lento hasta que los tres físicos fueron sustituidos en 1987 por un solo director como parte del precio de ir hacia adelante.

La primera versión del experimento, conocido como LIGO inicial, se inició en 2000 y duró 10 años, sobre todo para demostrar que podría funcionar en la escala necesaria. Hay dos detectores:.. Una en Hanford, Washington, y el otro en Livingston, La Hunters, una vez se disparó el exterior de uno de los brazos de la antena en Louisiana, y un camión chocaron con uno de los brazos en Hanford. En ninguno de los casos fue el experimento dañado.

Durante los últimos cinco años, el sistema entero fue reconstruido para aumentar su sensibilidad al punto donde el equipo realista podría esperar oír algo.

Antenas de LIGO están en forma de L, con los brazos perpendiculares 2,5 millas de largo. Dentro de cada brazo, capullo de capas de acero y hormigón, corre botella más grande del mundo de la nada, una cámara de vacío de un par de pies de ancho que contienen 2,5 millones de galones de espacio vacío. Al final de cada brazo son espejos que cuelgan de hilos de vidrio, aislados de los golpes y gritos del entorno mejor que cualquier Rolls-Royce jamás concebido.

Por lo tanto mimado, los láseres en la presente encarnación, conocido como LIGO Avanzado, pueden detectar cambios en la longitud de uno de esos brazos tan pequeñas como una diezmilésima parte del diámetro de un protón – una partícula subatómica demasiado pequeño para ser visto incluso por el más potentes microscopios – como una onda gravitatoria barre a través.

Incluso con tal sensibilidad extrema , sólo los eventos más masivos y violentos por ahí serían lo suficientemente fuerte como para hacer que el anillo de detectores . LIGO fue diseñado para captar la colisión de estrellas de neutrones , que pueden producir los destellos violentos conocidos como estallidos de rayos gamma .

A medida que se acercaban juntos, estas estrellas de neutrones podrían oscilar de forma más rápida y más rápido, cientos de veces por segundo, haciendo vibrar la geometría del espacio-tiempo con un tono ascendente que sería audible en tubo de vacío de LIGO ” punto dulce “.

Los agujeros negros, aún los más extremos remanentes de estrellas muertas, pueden hacer lo mismo, pero nadie sabía si existían en parejas o con qué frecuencia puede haber colisión . Si lo hicieran, sin embargo, las olas de la colisión serían mucho más alto y más bajo de tono que los de las estrellas de neutrones.

El Dr. Thorne y otros a largo cree que estas serían las primeras olas a conocimiento de LIGO . Pero incluso él no esperaba que iba a suceder tan rápido.

“Oscilaba un Hola”

El 14 de septiembre, el sistema apenas había terminado de ser calibrado y estaba en lo que se llama una carrera de ingeniería a las 4 a.m. cuando una señal fuerte vino a través de Livingston en el sitio . “Datos entraban, y luego ‘ bam ‘”, recordó David Reitze , profesor de Caltech que es el director del Laboratorio LIGO , el grupo que construye y ejecuta los detectores .

Siete milésimas de segundo más tarde, la señal golpeó el sitio de Hanford. Científicos de LIGO determinaron más tarde que la probabilidad de que tales señales de aterrizaje simultáneamente llegaran por pura casualidad era extremadamente pequeña. Nadie estaba despierto en los Estados Unidos, pero las computadoras registraron el evento, y sus colegas europeos lo notaron.

El Dr. Reitze estaba en un avión a Louisiana al día siguiente. El Dr. Weiss, de vacaciones en Maine, descubrió cuando se registró por el equipo que mañana. “Se estaba agitando hola,” dijo. “Fue increíble. La señal era tan grande, yo no lo creía “.

La frecuencia de la fluctuación era demasiado bajo para las estrellas de neutrones, los físicos sabían. El análisis detallado de su forma contó una historia de actividades Brobdingnagian en un rincón del universo: el último vals de un par de agujeros negros sorprendentemente más grandes que los astrofísicos habían estado esperando.

Uno de ellos era 36 veces más masiva que el Sol, y el otro 29. Al acercarse a la final, en la mitad de la velocidad de la luz, que estaban dando vueltas entre sí 250 veces por segundo.

Y a continuación, el timbre se detuvo cuando los dos orificios se unieron en un solo agujero negro, una trampilla en el espacio con la masa equivalente de 62 soles. En un quinto de un segundo, el tiempo de la Tierra.

El Dr. Weiss dijo que podría reproducir el chirrido mediante la ejecución de las uñas a través de las teclas de un piano desde el extremo inferior de C media.

Perdido en la transformación valía tres masas solares ‘de la energía, vaporizado en ondas gravitacionales en un apocalipsis oculto y apenas sentía. A medida que la luz visible, que la energía sería equivalente al brillo de un billón de billones de soles.

Y sin embargo, se trasladó el LIGO refleja sólo cuatro milésimas del diámetro de un protón.

La señal se ajustaba exactamente a las predicciones de la relatividad general de los agujeros negros, calculada en simulaciones por ordenador, dijo el Dr. Reitze.

Poco después de que el evento de septiembre, LIGO grabó otro, señal más débil que era, probablemente, también de los agujeros negros, según el equipo. Según el Dr. Weiss, había por lo menos cuatro detecciones durante la primera carrera de observación de LIGO, que terminó en enero. La segunda carrera se iniciará este verano. En el otoño, otro detector, Advanced Virgo, operado por el Observatorio Europeo de Gravedad en Italia, se pondrá en marcha. Hay esperanzas para más en el futuro, en la India y Japón.

Viendo hacia adelante

Los astrónomos ahora saben que existen pares de agujeros negros en el universo , y ellos se apresuran a explicar cómo se hicieron tan grandes. De acuerdo con Vicky Kalogera de la Universidad Northwestern , hay dos contendientes en este momento: Anteriormente en el universo, las estrellas que carecen de elementos más pesados ​​que el helio podría haber crecido a galumphing tamaños y luego se derrumbó directamente a los agujeros negros sin los fuegos artificiales de una explosión de supernova, el método por el lo que otras estrellas se despiden. O podría ser que en las densas concentraciones de estrellas conocidas como cúmulos globulares , los agujeros negros se hunden en el centro y de mezcla.

Michael S. Turner, cosmólogo de la Universidad de Chicago , señaló que una vez que los astrónomos habían referido a la búsqueda de ondas gravitacionales como un experimento , no un observatorio. ” LIGO se ha ganado la ‘ O ‘”, dijo. ” Es decir , será un observatorio , recibiendo decenas de eventos por año.”

Escuchar una onda gravitatoria

Predicho por la teoría general de la relatividad de Einstein hace 100 años , las ondas gravitacionales se han detectado directamente por primera vez . LIGO, el Interferómetro gravitacional Observatorio de Ondas láser , escuchó los agujeros negros en colisión .

DOS AGUJEROS NEGROS Hace 1.2 mil millones de años en una galaxia distante , un par de agujeros negros en círculos entre sí . El agujero negro más grande fue de 36 veces la masa de nuestro sol , y el más pequeño 29 veces.
DOS AGUJEROS NEGROS
Hace 1.2 mil millones de años en una galaxia distante , un par de agujeros negros en círculos entre sí . El agujero negro más grande fue de 36 veces la masa de nuestro sol , y el más pequeño 29 veces.
COLISIÓN La intensa gravedad acelera los agujeros negros a la mitad de la velocidad de la luz , tirando de ellos más cerca y tallar las distorsiones en el espacio y el tiempo. En una fracción de segundo, la pareja chocó y se combina con una forma irregular.
COLISIÓN
La intensa gravedad acelera los agujeros negros a la mitad de la velocidad de la luz , tirando de ellos más cerca y tallar las distorsiones en el espacio y el tiempo. En una fracción de segundo, la pareja chocó y se combina con una forma irregular.
BAJAR La burbuja inestable alisado en una esfera , un proceso llamado anillo de abajo . el valor de la energía tres masas solares ' se vaporiza en una tormenta de ondas gravitacionales , lo que distorsiona el espacio y el tiempo y dejando un nuevo agujero negro 62 veces la masa del sol.
BAJAR
La burbuja inestable alisado en una esfera , un proceso llamado anillo de abajo . el valor de la energía tres masas solares ‘ se vaporiza en una tormenta de ondas gravitacionales , lo que distorsiona el espacio y el tiempo y dejando un nuevo agujero negro 62 veces la masa del sol.
ONDAS GRAVITACIONALES. Las ondas invisibles ondulaban hacia afuera a la velocidad de la luz . Pero las ondas se desvanecen con la distancia, y cuando por fin llegaron a la Tierra , las distorsiones eran demasiado pequeños para ser medido por encima del calor , el ruido y otras vibraciones de nuestro planeta .
ONDAS GRAVITACIONALES. Las ondas invisibles ondulaban hacia afuera a la velocidad de la luz . Pero las ondas se desvanecen con la distancia, y cuando por fin llegaron a la Tierra , las distorsiones eran demasiado pequeños para ser medido por encima del calor , el ruido y otras vibraciones de nuestro planeta .
DETECCIÓN LIGO es un par de observatorios en forma de L 1,900 millas de distancia . espejos ultra pura en los extremos de cada brazo están aislados de las vibraciones. Pasando ondas gravitacionales empujan y tiran de los brazos , el cambio de la longitud de los túneles por menor que la anchura de un protón
DETECCIÓN
LIGO es un par de observatorios en forma de L 1,900 millas de distancia . espejos ultra pura en los extremos de cada brazo están aislados de las vibraciones. Pasando ondas gravitacionales empujan y tiran de los brazos , el cambio de la longitud de los túneles por menor que la anchura de un protón
UN TINTINAR El 14 de septiembre, detectores de LIGO midieron sus primeras vibraciones de una onda gravitatoria. Traducido al parecer, fue un chirrido corto, el mil millones de años de edad eco de la colisión de los dos agujeros negros.
UN TINTINAR
El 14 de septiembre, detectores de LIGO midieron sus primeras vibraciones de una onda gravitatoria. Traducido al parecer, fue un chirrido corto, el mil millones de años de edad eco de la colisión de los dos agujeros negros.

El Dr. Turner añadió: “Las cosas más ruidosas en el cielo-onda de gravedad son las cosas más exóticas en el universo: Agujeros negros, estrellas de neutrones y los inicios del universo”

El futuro para el lado oscuro se ve brillante.

“No solo tienen que ser grandes sorpresas, trascendentales, que no siempre han estado cuando se abre una nueva ventana,” dijo el Dr. Thorne, que ahora se retiró de LIGO.

El Dr. Drever, que tiene demencia y vive en un hogar de ancianos cerca de Edimburgo, no es capaz de disfrutar de la vuelta de la victoria. “Genio creativo de Ron era crucial para el éxito futuro de LIGO y fue la razón por la que lo llevó a Caltech,” Dr. Thorne escribió en un correo electrónico.

El Dr. Weiss, que se retiró con el estado de emérito en M.I.T., dijo que su vida ahora era más parecido al de un estudiante graduado – es decir, retoques y hacer que las cosas funcionen. Esta tendencia era casi la ruina del descubrimiento LIGO. Sólo tres días antes del chirrido agujero negro entró, el Dr. Weiss estaba en el lugar de Livingston, recordó, y se horrorizó al ver que las lecturas de antena se ven afectadas por interferencias de radio.

Eso tiene que ser fijo, le dijo a sus colegas, implorando para retrasar la carrera de ingeniería. Pero objetaron, diciendo que todo estaba listo, que era demasiado tarde para detener el programa. Por suerte para ellos.

 


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