Einstein le roba la manzana a Newton: prueba de onda gravitacional del Big Bang ¿El descubrimiento del año?

Vale, puede parecer un titular sensacionalista. Sin embargo, es quizá la metáfora que define el descubrimiento hecho público hoy. Siento no ser un gran físico y mis escasos conocimientos los perdí en primero de carrera… A muchos ingenieros nos pasa… Nos olvidamos de las ecuaciones diferenciales, de las fuerzas atómicas o de la mecánica de fluidos cuando nos damos cuenta que el mundo real se mide en litros, kilogramos o segundos. Pero realmente todo está relacionado. Y por ahí va el descubrimiento que ya hoy es denominado el descubrimiento del año. Para aquellos profanos como yo en la materia, trataré de dar una explicación sencilla. Como ayuda, este video de Nature:

TITULAR: El equipo del radio telescopio BICEP 2 situado en la Antártida anuncia que han detectado ondas gravitacionales de los primeros instantes del Big Bang.

PREGUNTA 1) ¿POR QUÉ ESTABAN EN LA ANTÁRTIDA?

Esta es la más facil. El radio telescopio está en la Antártida, al igual que otros, a una altura de 2800 metros sobre el nivel del mar porque:

la atmósfera es más limpia allí,
la atmósfera es más seca gracias a las bajas temperaturas y el agua puede distorsionar las observaciones
la atmósfera está menos contaminada por otro tipo de ondas electromagnéticas (poca gente habla con móvil allí).

PREGUNTA 2) ¿QUÉ ES UNA ONDA GRAVITACIONAL?

Se trata de la deformación del espacio tiempo producida por el paso de una masa excepcionalmente grande como un agujero negro, una supernova o el Big Bang. Al final pensemos que se trata de una onda producida por un objeto de tanta masa que es capaz de deformar su entorno, como cuando un avión va tan rápido que su turbulencia deja moviendo las ramas de arboles que quedan atrás. La onda gravitacional es teórica, nunca se ha podido observar. La onda se asemejaría a una compresión – dilatación del espacio tiempo.

PREGUNTA 3) ¿CÓMO SE HA PODIDO DETECTAR SI EL BIG BANG FUE HACE MILLONES DE AÑOS?

Realmente no hemos detectado ninguna onda gravitacional del big bang, hemos detectado su huella, su radiación. Al igual que los surcos que deja en la arena una ola o las dunas que deja el viento. No hemos visto la ola o el viento pero se ha detectado la radiación remanente que dejó el Big Bang. Esta sería la representación de lo observado:

PREGUNTA 4) ¿Y ESTO QUÉ CAMBIA?

No sólo supone una prueba real de que el Big Bang o algo similar existió. Al igual que el descubrimiento del Bosón de Higgs de 2013 se trata de encajar poco a poco las piezas en un puzzle, un módelo estándar de fuerzas fundamentales que confirman las hipótesis lanzadas decenas de años antes. Las fuerzas o interacciones fundamentales son 4: gravedad, electromagnetismo, nuclear fuerte y nuclear débil. Pues aunque la gravedad es la más conocida para la mayor parte del público era la que peor encajaba en el modelo estándar.

La física newtoniana daba una aproximación que es válida para la mayoría de objetos y distancias por lo que se considera válida y compatible con el modelo estándar. Seguiremos estudiando la física newtoniana por simplicidad pero sabremos que la gravedad es una interacción cuántica al igual que las otras interacciones fundamentales.

Para ver la relevancia que tiene este descubrimiento hay que ver las definiciones sobre la gravedad de hoy día 17 de marzo de 2014 y las que tendremos en el futuro.

Esto decía la Wikipedia de esta fecha sobre la gravedad y las ondas gravitacionales. Posiblemente haya que reescribirlo a partir de este día:

Interacción gravitatoria

Es la más conocida de las interacciones, (y al mismo tiempo la que plantea mayores problemas teóricos), ya que el Modelo Estándar no da cuenta de ellas, es muy débil y afecta a todas las partículas, e incluso a las sin masa como el fotón debido a que a grandes distancias, por su efecto acumulativo con la masa, tiene mayor efecto que las demás. Junto al electromagnetismo, son las interacciones que actúan a grandes distancias y contrariamente al electromagnetismo, sólo tiene carácter atractivo. A distancias atómicas, y en comparación con el resto de interacciones es la más débil de todas.

La interacción gravitatoria hace que cualquier tipo de materia provista de energía interaccione entre sí. Para formas de materia ordinaria cuyo tensor energía-impulso satisface ciertas condiciones de positividad, tendrá un carácter atractivo. La teoría de la relatividad general estudia el comportamiento de esta interacción a escala planetaria y supragaláctica describiéndola como una Curvatura del espacio-tiempo. En otras palabras, la interacción gravitatoria es una manifestación de la deformación que sufre el espacio-tiempo por la presencia de grandes masas. La teoría newtoniana de la gravitación es una aproximación no-relativista a la interacción gravitatoria.

Según la hipótesis del modelo estándar, la interacción gravitatoria, gravitación o fuerza de la gravedad, es transmitida por el gravitón. Cabe indicar que la teoría de la gravitación, en su formulación actual, no es una interacción que sea muy consistente con la descripción usual de la física de partículas. Sin embargo, debido a que la gravitación es sólo perceptible en distancias muy por encima del radio atómico esto permite en la práctica usar ambas teorías simultáneamente sin encontrar conflicto, en la mayoría de situaciones prácticas.

Primeras evidencias de ondas gravitacionales

Aunque la radiación gravitacional no ha sido aún detectada directamente, hay evidencia indirecta significativa de su existencia. En una gran cantidad de estudios, astrofísicos de todo el mundo han podido observar, en grupos de estrellas súper masivas, fenómenos que sólo pueden ser explicados con la existencia de dicha teoría.

Los físicos Russell Alan Hulse y Joseph Hooton Taylor Jr. descubrieron en 1974 el primer púlsar binario (PSR1913+16). Las observaciones durante varios años han confirmado que el período de rotación de ambos objetos aumenta con el tiempo de la manera predicha por la teoría de la relatividad general, perdiendo energía en forma de ondas gravitacionales. Aunque estas ondas no han sido detectadas de forma directa, Taylor y Hulse demostraron que la rotación del sistema binario se aceleraba a medida que las estrellas giraban en espiral cada vez más juntas, exactamente tal y como se predecía si estuviera emitiendo energía en forma de ondas gravitacionales. Un estudio realizado por O. Laudani, sobre la base de no a diferencia de los tiempos de marea de sol y la luna muestra, de manera directa, que la velocidad de gravedad es igual a la velocidad de la luz. Esto significa que la fuerza de gravedad es una onda que, al igual que las electromagnéticas viaja a casi 300.000 km por segundo.

Este descubrimiento se considera como la demostración de la existencia de ondas gravitacionales. Por este motivo, Hulse y Taylor recibieron el Premio Nobel de Física del año 1993. Más recientemente (2005), se ha descubierto un segundo púlsar binario, PSR J0737-3039, cuyo comportamiento parece confirmar también las predicciones de la relatividad general con respecto a la energía emitida en forma de ondas gravitacionales. El púlsar binario tiene una órbita cuya distancia decae en unos 7 mm por día.