31 d’oct 2020

Anar al contingut

INVESTIGACIÓ DE L'UNIVERS

¿Què són les ones gravitacionals?

Claus per comprendre l'elusiu fenomen

MICHELE CATANZARO / BARCELONA

¿Què són les ones gravitacionals?

¿QUÈ SÓN?

Les ones gravitacionals són unes deformacions de l’espai-temps. No són unes ones que es propaguin en l’espai i en el temps, sinó unes pertorbacions que alteren aquestes mateixes dimensions. Imaginem que posem una gran bola pesada en un matalàs al costat d’una altra de petita i lleugera: la primera s’enfonsarà i la segona caurà cap a la primera. Aquesta imatge dóna una idea del que passa amb la gravetat, segons la visió moderna creada per Einstein. La Terra és com la bola pesada que deforma l’espai-temps situat al seu voltant (el matalàs) i fa que els altres objectes (la bola lleugera) experimentin una atracció cap a ella. Aquesta seria una deformació permanent. Però hi ha fenòmens, com dues estrelles de neutrons que orbiten, que produeixen una deformació que es propaga com una ona, de la mateixa manera que quan es llança una pedra a l’aigua. El pas d’una ona gravitacional modifica les distàncies i dimensions dels objectes de forma imperceptible.


¿COM ES PRODUEIXEN?

Tota massa produeix deformacions de l’espai-temps, segons la teoria d’Albert Einstein. No obstant, comparada amb les altres forces, la gravetat és extremadament feble, i per això es necessiten grans masses i grans velocitats perquè es produeixin deformacions detectables amb les eines que hi ha disponibles en l’actualitat. Per aquesta raó, per sentir-les des de la Terra, és necessari esperar que es donin fenòmens astronòmics de gran violència. Els més potents són les col·lisions de forats negres, com la que va donar lloc a les ones detectades per LIGO el mes de setembre passat. Però també emeten ones els xocs entre estrelles de neutrons, o la rotació a gran velocitat d’una estrella de neutrons que tingui deformacions a la superfície. També la formació de supernoves o certs comportaments de les cordes còsmiques (objectes de moment només previstos per algunes teories) podrien generar ones detectables.


¿PER QUÈ SÓN IMPORTANTS?

L’existència d’ones gravitacionals és l’última predicció d’Einstein que està pendent de comprovar. El genial físic va plantejar la hipòtesi que existien ja fa 100 anys. La seva existència era una conseqüència de la teoria de la relativitat general, la interpretació moderna del fenomen de la gravitació formulada pel científic, que superava la visió clàssica de Newton. L’existència de les ones gravitacionals és una derivació matemàtica d’una assumpció bàsica de la teoria d’Einstein: que cap objecte o senyal es pot desplaçar més ràpid que la llum. Segons l’opinió de Newton, quan un objecte es movia, el seu camp gravitatori es movia a l’instant, és a dir, més veloç que la llum. La teoria de les ones gravitacionals, per contra, concilia la gravitació amb el límit màxim de la velocitat. La detecció anunciada és la confirmació definitiva de la teoria formulada per Einstein. Els experts consideren que els que ho han aconseguit segurament guanyaran un premi Nobel.


¿PER A QUÈ SERVEIXEN?

A més de confirmar la teoria formulada per Einstein fa un segle, les ones gravitacionals prometen obrir una nova finestra d’observació sobre l’univers. Els successos que produeixen aquestes ones són dels més violents que es produeixen al cosmos, com ara col·lisions de forats negres, per exemple. És a dir, les ones gravitacionals ens aporten informació d’aquests grans cataclismes difícils d’observar per altres camins. A més, les ones residuals dels esdeveniments ocorreguts just després del Big Bang podrien proporcionar informació sobre l’origen de l’univers. Les ones són difícils de detectar perquè no interaccionen gairebé amb res, fet que dificulta mesurar-ne el pas, però aquest fet constitueix també el seu gran avantatge perquè poden propagar-se per l’univers i transmetre d’aquesta manera informació no pertorbada. Altres aplicacions són entendre millor les supernoves i l’expansió de l’univers, i precisar la teoria de les cordes còsmiques.


¿COM ES DETECTEN?

Fins i tot els fenòmens astronòmics de més envergadura produeixen pertorbacions microscòpiques, amb desplaçaments més petits que la mesura d’un protó. Per això, els detectors d’ones són enormes i delicats. L’eina més eficaç són els grans interferòmetres Advanced LIGO, als EUA, i VIRGO, a Itàlia. Un interferòmetre d’aquest tipus està format per un sistema de túnels de diversos quilòmetres en forma de L pels quals circulen làsers que reboten en miralls i interfereixen al creuar-se. Al passar una ona gravitacional, es detecta una pertorbació en la interferència, a causa de la deformació de l’espai-temps entre els miralls. LIGO té dos detectors separats per 3.000 quilòmetres, un a Washington i un a Louisiana. Altres eines per estudiar-les són els púlsars timingarrays, radiotelescopis que mesuren la llum dels púlsars i telescopis astronòmics com el futur LISA.


¿QUINA HISTÒRIA HAN TINGUT?

Einstein va plantejar l’existència d’ones gravitacionals el 1916, fa exactament un segle, però dubtava que alguna vegada s’arribessin a detectar. El 1969 es va anunciar que s’havien trobat, però l’observació va ser desmentida. Després, el 1974, es van detectar dues estrelles de neutrons que orbitaven seguint la trajectòria matemàticament prevista si haguessin estat emetent ones gravitacionals, considerada la primera prova indirecta de la seva existència. El 2014, l’observatori BICEP2 va anunciar el descobriment de traces de les ones gravitacionals emeses en el Big Bang. Va ser una notícia mundial, però també va ser desmentida. Després de l’actualització de LIGO l’any passat, des de fa uns mesos van començar a circular rumors sobre la detecció, que finalment s’han confirmat. En aquest cas, els científics han esperat a l’acceptació i publi-cació d’un article científic en una revista internacional per fer públic l’anunci.