Escoltar

Cent anys després, la UIB cerca comprovar la darrera predicció pendent de la teoria de la relativitat general d'Einstein

El grup de Relativitat i Gravitació és l’únic grup d’Espanya que participa en la col·laboració científica internacional LIGO amb l'objectiu de detectar per primera vegada les ones gravitacionals, un fenomen predit per la teoria de la relativitat general que Albert Einstein va enunciar el 25 de novembre de 1915

Albert Einstein va postular la seva teoria de la relativitat general fa exactament cent anys, i coincidint amb aquest centenari ha entrat en funcionament Advanced-LIGO. Aquest observatori té la missió de detectar per primera vegada l'existència d'un fenomen suggerit per Einstein, però que encara avui segueix sense haver-se pogut confirmar: les ones gravitacionals. El grup de Relativitat i Gravitació de la Universitat de les Illes Balears és l'únic grup de recerca d'Espanya que forma part de la col·laboració científica LIGO, en la qual participen 950 científics d'universitats de 16 països a la caça de la primera detecció directa d'ones gravitacionals, a fi d'emprar-les en l'exploració de les lleis fonamentals de la física i com a eines d'observació astronòmica.

Ones gravitacionals: la vibració de l'espai-temps

Einstein va suggerir que l'espai-temps és corb i que la gravetat és un producte d'aquesta curvatura. La seva teoria, a més de predir l'existència de forats negres, suggereix que els objectes accelerats canvien la curvatura de l'espai-temps i produeixen ones gravitacionals. Aquestes ones transporten informació sobre els objectes que les produeixen i sobre la naturalesa de la gravetat en condicions extremes que no pot obtenir-se mitjançant altres eines astronòmiques.

Fa més de cinquanta anys que la comunitat científica intenta detectar experimentalment les ones gravitacionals, però encara no s'han pogut trobar perquè són poc freqüents i tenen amplituds extremadament petites. Malgrat això, sí que es tenen proves indirectes de la seva existència, per la qual cosa els científics estan gairebé segurs que les ones gravitacionals existeixen. Solament falta confirmar la seva existència detectant-les directament, i aquest és l'objectiu d’Advanced-LIGO.

La detecció directa permetria observar els esdeveniments més violents de l'Univers, com les supernoves (explosions d'estrelles) o les col·lisions i fusions de forats negres i estrelles de neutrons. Quan es produeixen aquests esdeveniments, fan que el teixit de l'espai mateix vibri com un tambor. Les ondulacions de l'espai-temps emanen en totes direccions, viatgen a la velocitat de la llum i distorsionen físicament tot al seu pas. Però com més s'allunyen del seu origen, més petites tornen, i en el moment en què arriben a la Terra, la distorsió espacial causada per les ones gravitacionals en una distància de diversos quilòmetres és solament d'una fracció de la grandària del protó.

Un làser de 4 quilòmetres per detectar les ones gravitacionals

Detectar aquest inimaginablement petit moviment és l'objectiu dels detectors LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, Observatori d’Interferometria Làser d'Ones Gravitacionals). Per a això, els interferòmetres LIGO fan rebotar llum làser entre miralls situats en els extrems oposats dels tubs de buit de 4 quilòmetres de llarg, amb l'objectiu de detectar el pas de les ones gravitacionals que estenen i comprimeixen la longitud dels seus braços, juntament amb la resta de l'espai.

El passat 18 de setembre de 2015 va començar de manera oficial el primer període d'observació dels detectors avançats d'ones gravitacionals de LIGO als observatoris de Hanford (Washington) i Livingston (Louisiana), als EUA, encara que en les setmanes precedents tots dos detectors ja estaven en funcionament, a manera de prova. A partir d'aquesta nova etapa d'observació, Advanced-LIGO passarà notificacions a 75 observatoris astronòmics de tot el món, que han acordat apuntar els seus telescopis cap al cel, en qualsevol moment, a la recerca de senyals electromagnètics corresponents a possibles deteccions d'ones gravitacionals.

Des de la seva posada en marxa, els nous detectors avançats de LIGO són ja tres vegades més sensibles que el que va ser LIGO-inicial al final de la seva vida útil. Els nous detectors ja són capaços d'escoltar les ones gravitacionals produïdes per la fusió d'estrelles de neutrons a 225 milions d'anys llum, en comparació dels 65 milions d'anys llum accessibles al final de la darrera recerca de LIGO (que va concloure el 2010). Triplicar l'abast de la distància suposa augmentar 27 vegades el volum d'espai accessible a LIGO, fet que augmenta considerablement les possibilitats de detecció.

Aquest primer període d'observació d’Advanced-LIGO durarà uns 4 mesos (almenys fins al 12 de gener de 2016), durant els quals tots dos detectors, a Washington i Louisiana, operaran simultàniament durant el major nombre possible d'hores al dia. Per a la missió de LIGO és crucial mantenir en funcionament tots dos interferòmetres durant llargs períodes de temps i assegurar-se que tots dos instruments estan operant alhora amb la mateixa precisió. Però per poder afrontar el repte d'una primera detecció també són crucials el desenvolupament de sofisticades tècniques d'anàlisi de les dades, així com el fet de disposar de models precisos de perfils d'ones gravitacionals.

La UIB, en la posada en marxa

La UIB participa en la col·laboració científica LIGO (LSC) des de 2002, si bé la doctora Alícia Sintes, professora del Departament de Física de la UIB i membre del grup de Relativitat i Gravitació (GRG), va ser una de les investigadores que va intervenir en la posada en marxa d'aquest grup de científics el 1997. Ella, juntament amb el doctor Sascha Husa, també professor de la UIB i membre del GRG, formen part del Consell de LIGO. En l'actualitat, el grup de Relativitat i Gravitació de la UIB és l'únic d'Espanya que participa a LIGO, al costat d'uns 950 científics d'universitats de 16 països.

Entre aquests investigadors es troba un estudiant de doctorat de la UIB, Miquel Oliver, que ha tingut l'oportunitat única de viure directament l'engegada d’Advanced-LIGO, ja que des de principis de setembre treballa a la sala de control de LIGO a Hanford monitoritzant l'instrument. Miquel Oliver no és l'únic doctorand de la UIB que ha pogut participar en aquest gran repte per a la comunitat científica. Altres joves investigadors, com Alex Vañó i Juan Calderón, que han defensat les seves tesis a la UIB recentment, i Francisco Jiménez, que l'està acabant, també han pogut conèixer els detalls dels treballs previs de preparació d’Advanced-LIGO a través de la seva participació en les activitats de recerca del GRG.

El treball del grup de la UIB se centra en l'observació d'ones gravitacionals procedents de forats negres i estels de neutrons, i el modelatge computacional necessari per identificar aquestes fonts. Els seus membres han contribuït al programari LIGO Scientific Collaboration Algorithm Library Suite i al projecte de computació distribuïda Einstein@home. La UIB ha liderat diferents recerques de púlsars desconeguts, i ha generat i utilitzat simulacions numèriques per crear sofisticats models analítics de fusió de sistemes binaris de forats negres per ser usats en l'anàlisi de les dades. En definitiva, el grup de la UIB contribueix a les activitats prioritàries del llibre blanc d'anàlisi de dades de LIGO-Virgo.

El grup de Relativitat i Gravitació és membre de l'Institut d'Aplicacions Computacionals de Codi Comunitari (IAC3) de la UIB i de l'Institut d'Estudis Espacials de Catalunya (IEEC). Té el suport del Ministeri d'Economia i Competitivitat, del Govern de les Illes Balears, de la Xarxa Espanyola de Supercomputació i PRACE, a més dels projectes Consolider Ingenio CPAN i Multidark.

El futur de LIGO

A mesura que tinguin lloc més períodes d'observació en els mesos i anys esdevenidors, els instruments seran afinats fins a aconseguir la sensibilitat de disseny final, 10 vegades superior a la de LIGO-inicial, i permetran escoltar les ones gravitacionals generades a distàncies tan llunyanes com 650 milions d'anys llum. L'augment de més d'un factor de 10 en la sensibilitat ve acompanyat també d'un increment significatiu del rang de freqüències sensibles. Això permetrà a Advanced-LIGO veure els últims minuts de la vida de parelles de forats negres massius i com aquests es fusionen en un únic forat negre. Aquesta millora també permetrà identificar amb precisió els senyals periòdics de molts púlsars coneguts que irradien en el rang de 10 a 2.000 hertzs (freqüències que corresponen a les notes agudes d'un òrgan). Advanced-LIGO també s’utilitzarà per cercar el fons còsmic d’ones gravitacionals, i permetrà provar teories sobre el desenvolupament de l’univers només 10-35 segons després del Big Bang.

Després de la detecció d’una partícula consistent amb el bosó de Higgs, la física segueix intentant assolir i superar nous reptes. Ara, la recerca de les ones gravitacionals s’ha convertit en el nou gran desafiament de la recerca en física. Advanced-LIGO podria fer història, i el grup de Relativitat i Gravitació de la UIB està preparat per a la caça d’aquestes noves missatgeres de l’univers.

Notícies relacionades

Data de publicació: 19/11/2015