Más información: https://www.universidadpopularc3c.es/index.php/actividades/conferencias/event/2780-conferencia-ondas-gravitacionales-la-banda-sonora-del-universo Ponente: Dr. D. Benjamín Montesinos Comino, Investigador del Centro de Astrobiología del CSIC España. Tema: Conferencia sobre ondas gravitacionales. La banda sonora del Universo Fecha: 7 de febrero de 2017 Lugar: Universidad Popular Carmen de Michelena de Tres Cantos. Descripción: En física una onda gravitatoria es una perturbación del espacio-tiempo producida por un cuerpo masivo acelerado. La existencia de ese tipo de onda, que consiste en la propagación de una perturbación gravitatoria en el espacio-tiempo y que se transmite a la velocidad de la luz, fue predicha por Einstein en su teoría de la relatividad general. La primera observación directa de las ondas gravitatorias se logró el 14 de septiembre de 2015; los autores de la detección fueron los científicos del experimento LIGO que, tras un análisis minucioso de los resultados, anunciaron el descubrimiento al público el 11 de febrero de 2016, cien años después de que Einstein predijera la existencia de las ondas.La detección de ondas gravitatorias constituye una nueva e importante validación de la teoría de la relatividad general. Antes de su descubrimiento solo se conocían pruebas indirectas de ellas, como el decaimiento del período orbital observado en un púlsar binario. En marzo de 2014, el experimento BICEP2 anunció la detección de modos-B en la polarización del fondo cósmico de microondas, lo que sugería una prueba indirecta de ondas gravitatorias primordiales. Los estudios combinados con el telescopio PLANCK revelaron que los resultados de BICEPS2 podían ser explicados por la interferencia del polvo cósmico por lo que fueron dejados de lado a falta de más evidencias.

1. Ondas gravitatorias:
la banda sonora del Universo”

2. En 1915 Albert Einstein presentó su
obra maestra, su nueva teoría de la
gravitación: la Relatividad General.
En 1916 publicaba su primer
artículo sobre las ondas
gravitatorias.
...pero Einstein pensó que las ondas
gravitatorias eran demasiado débiles
para ser detectadas.
Un siglo de Relatividad General

3. Relatividad especial
E = m c2
x’ = γ (x – v t)

4. Relatividad general
Gµν =
8𝜋𝐺
𝑐4 Tµν
Espacio/Tiempo
(Geometría)
Materia/Energía
10-43

5. De acuerdo con la teoría de Einstein, la gravedad no
es una “fuerza” sino que está relacionada con la
curvatura del espacio-tiempo.
Cuando la materia se mueve, la curvatura del espacio-tiempo debe
cambiar para seguirla. Pero el espacio-tiempo tarda un cierto tiempo a
reaccionar, ya que la información sólo puede propagarse a la velocidad
de la luz, y se forman ondulaciones en el tejido del espacio-tiempo. Estas
ondulaciones del espacio-tiempo son las ondas gravitatorias.
Olas en el océano cósmico
“El espacio-tiempo le dice a la materia cómo
moverse, la materia le dice al espacio-tiempo
cómo curvarse.” John Wheeler

6. Una nueva ventana al Universo
Los objetos masivos en aceleración o en rotación
deberían causar perturbaciones en el espacio-tiempo que
formarían ondas de gravedad.
¿Cómo “observarlas”?...

7. La Astronomía es una disciplina observacional
Milosav Druckmuller (Brno University of Technology)
Patagonia y comenta McNaught

9. Créditos: Damia Bouic NASA, JPL-Caltech, MSSS

10. Cometa Churyumov-Gerasimenko (ESA, Rosetta)

11. TW Hya (ESO, ALMA)

12. Formación estelar múltiple (ESO, ALMA)

14. La luz

15. Rayos X Ultravioleta Visible Infrarrojo Radio
Saturno
Sol
Ultravioleta Visible Infrarrojo Radio
http://www.ipac.caltech.edu/Outreach/Multiwave/multiwave.html

16. Los fenómenos más exóticos y violentos del
universo producen las ondas gravitatorias de
mayor intensidad.
Colisiones de agujeros negros, explosiones de
estrellas supernova, estallidos de rayos gamma...
Una nueva ventana al universo
Incluso se podría observar lo que pasó justo después del Big Bang, cuando el
universo no tenía ni 1 segundo de edad. Esta información no podemos conseguirla
de ninguna otra forma, porque el universo no fue transparente a la luz hasta
380.000 años después de la Gran Explosión.
El reto en astronomía de ondas gravitatorias es detectarlas
y extraer la información que contienen.

17. Una nueva ventana al Universo
En la historia de la astronomía cada vez que
se ha abierto una nueva banda en el espectro
electromagnético ha habido grandes
descubrimientos.
Las ondas gravitatorias no son simplemente
una nueva banda, son todo un nuevo
espectro con propiedades diferentes y
complementarias a las ondas
electromagnéticas.
• Vibraciones del espacio-tiempo, no en
el espacio-tiempo.
• Producidas per el movimiento de grandes
masas a casi la velocidad de la luz y no por
vibraciones de electrones en átomos.
Planck
La astronomía de ondas gravitatorias es una
nueva ventana, única del Universo.
OGs

18. Propiedades de las ondas gravitatorias
• De naturaleza y propiedades distintas de las ondas electromagnéticas, la
detección directa y su estudio puede provocar una revolución de los conceptos
actuales del universo.
• Ondas electromagnéticas = “VER” Ondas gravitatorias = “OIR”
• Al igual que la luz, las OG interaccionan con la materia:
tienen dos polarizaciones (“+” y “x”), que producen fuerzas de tracción y
compresión.

19. ~16 órdenes de magnitud. Desde las frecuencias ultrabajas de las ondas de radio a
las más altas de los rayos gamma.
Ondas electromagnéticas

20. • La frecuencia de la onda emitida depende de la masa del objeto y de su
compacticidad:
– Objetos más pesados emiten a frecuencias más bajas, (200 MSol ,10³ Hz).
– Objetos más compactos emiten con mayor frecuencia.
• Las fuentes astrofísicas comunes emiten por debajo de varios kHz.
Las OG podrían existir a cualquier frecuencia, pero las directamente detectables
están en el rango de 10-9 Hz hasta 1011 Hz.
Ondas gravitatorias

21. 10-9 Hz 10-4 Hz 100 Hz 103 Hz
Radiación “fósil”
Cuerdas cósmicas
AN supermasivos binarios
AN y EN binarios
Binarias coalescentes
Colapsos
M/m
Supernovas
EN rotantes
10-16 Hz
Inflación Interferometros en Tierra“Pulsar timing” Detectores en el
espacio

22. Evidencia indirecta de las ondas gravitatorias
Observaciones
Predicción de la TRG
suponiendo la
existencia de OGs
R. HulseJ. Taylor
El primer púlsar binario, PSR 1913+16,
fue descubierto por Hulse y Taylor en
1974 (Premio Nobel 1993) .
Taylor y Weisberg (1982) gracias a las
medidas precisas de los pulsos emitidos
por una de las estrellas de neutrones
mostraron que el período orbital del
sistema iba disminuyendo lentamente al
ritmo predicho por la Relatividad
General debido a la emisión de ondas
gravitatorias.

23. 23
¿Cómo podemos detectar
directamente
las ondas gravitatorias?

24. Tamaño de las perturbaciones
Las OGs comprimen el espacio en
una dirección y lo estiran en la
dirección perpendicular.
¡¡¡Los detectores de OGs han de
medir desplazamientos del tamaño
de la milésima parte de un protón!!!
Time
“+”
polarization
“x”
polarization
...¡¡¡equivalente a detectar el
movimiento de Saturno si se
acercase al Sol una distancia
igual al diámetro de un átomo
de hidrógeno!!!
La perturbación del espacio que se prevé que se produzca cerca de la Tierra debido
a eventos tales como la fusión de un par de estrellas de neutrones a unos 100
millones de años luz de la Tierra es de aproximadamente una parte en 1022...

25. Caltech
MIT
LIGO (Observatorio por Interferometría Láser de Ondas
Gravitacionales) consta de dos observatorios de 4 km
ubicados en Livingston, Louisiana, y Hanford, Washington,
EE.UU.
Los observatorios LIGO están financiados por la National
Science Foundation. Fueron concebidos y construidos, y
son operados por Caltech y MIT.
LIGO Livingston
LIGO

26. www.ligo.org
La investigación en LIGO la lleva a cabo la Colaboración Científica LIGO (LSC),
1000+ miembros, 90+ instituciones, 15 países

31. Lunes 14 de septiembre de 2015, 11:50:45 CET: comienza
una nueva era en astronomía: la astronomía gravitatoria.
• GW150914 fue detectado primero en L1 y ~7 ms después en H1.
• La frecuencia aumenta de 35 Hz hasta unos 150 Hz en dos décimas de
segundo.
• En menos de 3 minutos el código CWB (Coherent Wave Burst) registraba el
evento.
Hanford, WA Livingston, LA

34. • Fusión de 2 agujeros negros 36MSol + 29MSol
• Agujero negro resultante: 62 MSol
• Energía radiada: 3MSol c2 en una fracción de segundo = producción total de
energía del Sol durante 3600 veces de la edad del Universo
(El Sol al final de su vida tendrá el 99.966% de su masa actual)
• Pico de energía liberada > 50 veces la de todo el Universo observable
• Desde una galaxia a 410 Mpc, z=0.09 (~1300 millones de años luz)

35. A unos 1.300 millones de años luz de nosotros, dos agujeros negros con masas 36 y 29 veces
mayores que nuestro Sol se fusionaron. Al principio, estaban separados por una distancia discreta
y su rotación mutua era a velocidades razonables. Pero en cada giro, emitían una debilísima
perturbación gravitacional, con el resultado de ir perdiendo paulatinamente energía, acercándose
cada vez más entre sí.

36. GW150914
Primer descubrimiento directo de ondas gravitacionales
Primera observación directa de agujeros negros
Primera observación directa de una fusión de agujeros negros
Primer descubrimiento de agujeros negros de masa > 30 MSol
Primera prueba de la relatividad general en campo g fuerte
1 MSol = 2.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000 kg

37. 37
La red avanzada de detectores de OGs
GEO600 (HF)
2011
Advanced LIGO
Hanford,
Livingston
2015
Advanced
Virgo
2016
LIGO-India
2022
KAGRA
2018

38. LISA Pathfinder
(lanzada por ESA el 3 de diciembre de 2015)

39. LISA - observatorio de ondas
gravitatorias en el espacio
• El Universo gravitatorio será uno de los
temas que serán explorados por las dos
próximas grandes misiones de la ESA.
• LISA está diseñada para complementar a
los observatorios de OG terrestres.
Permitirá observar, entre otros fenómenos,
los agujeros negros supermasivos.
• El lanzamiento de LISA está previsto para
2034.
Interferómetro con brazos
de 1 millón de km

40. La Astronomía es una disciplina observacional
Milosav Druckmuller (Brno University of Technology)
Patagonia y comenta McNaught

41. 13 800 Maños
Ondas gravitatorias primordiales

42. El fondo cósmico de microondas observado por Planck: esta es la imagen más
antigua del Universo de que disponemos. La luz fue emitida cuando el Universo
tenía 380.000 años. La edad del Universo es 13.820.000.000 años.

43. 43
Historia del Universo
Inflación

44. El periodo inflacionario es la propia
“explosión” que generó el Universo (el
Bang del Big Bang)
El periodo inflacionario ocurrió en el instante 10-36 s, hasta el instante 10-33-
10-32 s y el universo aumentó por lo menos 1026 veces su tamaño. A partir
de ese momento, ha seguido expandiéndose pausadamente, hasta ahora,
13.800 millones de años después.
10-36 s = 0,000000000000000000000000000000000001 s
1026 = 10.000.000.000.000.000.000.000.000 (10 cuatrillones)

45. 45
Historia del Universo

46. ¿Podremos detectar estas
ondas gravitatorias?
(Continuará)