LIGO / Caltech

Un avance significativo en nuestra comprensión de la evolución temprana del Universo se ha logrado por parte de un equipo de científicos asociados a la Colaboración Científica y a la Colaboración Virgo del observatorio de ondas gravitacionales por interferómetro láser LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory). Los resultados del equipo aparecerán en la edición del 20 de agosto 2009 de la revista Nature.

Los científicos de ondas gravitatorias, entre ellos Lee Samuel Finn, profesor de física y de astronomía y astrofísica de la Universidad del Estado de Pensilvania (Penn State)  y Benjamín Owen, profesor de física de Penn State, han puesto nuevas restricciones a los detalles de cómo lucía el Universo en sus primeros momentos. Análisis de los datos del equipo, tomados durante un lapso de dos años, entre 2005 y 2007, han establecido los límites aún más estrictos sobre la cantidad de ondas gravitatorias que podrían haber llegado del Big Bang.

“Nuestros resultados son un paso importante hacia la detección de las ondas gravitatorias primordiales – ondulaciones en el tejido del espacio-tiempo – que se han creado cuando el Universo se expandió, en sus primeros momentos”, dijo Finn, miembro de la Colaboración Científica de LIGO desde su creación. “Este tipo de información puede proveer pistas vitales para la comprensión de cómo evolucionó la estructura del Universo. Por ejemplo, ¿por qué nuestro Universo está agrupado en galaxias? Esta información también nos dice si algunas de las propuestas fantásticas acerca de la forma en que nuestro Universo llegó a ser, son correctas”.

El Big Bang se cree que creó un flujo de ondas gravitatorias que aún llenan el Universo y llevan información acerca de cómo era el Universo inmediatamente después del Big Bang. Estas ondas deberían observarse como un “fondo estocástico”, análogo a una superposición de muchas ondas de diferentes tamaños y direcciones en la superficie de un estanque. La amplitud de este fondo está directamente relacionada con los parámetros que rigieron el comportamiento del Universo durante el primer minuto después del Big Bang.

Según Finn, “el espacio-tiempo es el escenario viviente donde se representa el drama del Universo. Las ondas gravitacionales estocásticas primordiales son las arrugas, torceduras  y dobleces en el espacio-tiempo que se establecieron cuando el Universo se expandió desde los primeros momentos hasta el presente. Las observaciones que presentamos en este trabajo son el sondeo más directo y cercano del marco en el que el Universo vive y respira”.

La investigación también restringe los modelos de cuerdas cósmicas, los objetos que se propone han quedado desde el principio del Universo y posteriormente se extendieron a longitudes enormes por la expansión del Universo. Las cuerdas, algunos cosmólogos dicen, pueden formar bucles que producen ondas gravitacionales, a medida que oscilan, decaen y, finalmente, desaparecen.

Las ondas gravitacionales llevan consigo información sobre sus orígenes violentos y sobre la naturaleza de la gravedad que no pueden ser obtenidas por las herramientas astronómicas convencionales. La existencia de las ondas fue predicha por Albert Einstein en 1916 en su teoría de la relatividad general. La evidencia de la existencia de estas ondas fue publicada, por primera vez, en la revista Nature, por J.H. Taylor, L.A. Fowler y P.M. McCulloch, en 1979. Los instrumentos de LIGO han buscado activamente estas ondas desde el año 2002 y el interferómetro Virgo se unió a la búsqueda, en 2007.

Los autores del trabajo informan que el fondo estocástico de ondas gravitacionales todavía no ha sido descubierto. Pero el no descubrimiento del fondo descrito en el artículo de Nature ofrece su propia marca de conocimiento de la historia temprana del Universo.

Los datos usados en el análisis fuero recogidos de los interferómetros de LIGO, un detector de 2 km y uno de 4 km en Hanford, Washington, y un instrumento de 4 km en Livingston, Louisiana. Cada uno de los interferómetros con forma de L utiliza un láser dividido en dos haces que viajan de ida y vuelta a lo largo de los brazos del interferómetro. Los dos haces se utilizan para monitorear la diferencia entre las longitudes de los dos brazos del interferómetro. Según la teoría de la relatividad general, un brazo del interferómetro se estira un poco mientras que el otro se comprime otro poco cuando pasa una onda gravitacional. El interferómetro se construyó de tal forma que puede detectar un cambio de menos de una milésima del diámetro de un núcleo atómico en las longitudes de los brazos, uno respecto al otro.

Según Francesco Fidecaro, profesor de física de la Universidad de Pisa y el Istituto Nacional de Física Nuclear, en Italia, y portavoz para la Colaboración Virgo: “Los científicos de la Colaboración Científica de LIGO y de la Colaboración Virgo han unido sus esfuerzos para hacer el mejor uso de sus instrumentos. La combinación de datos simultánea de los interferómetros de LIGO y Virgo da información sobre las fuentes de ondas gravitacionales que no son accesibles por otros medios. Es muy sugestivo que en el primer resultado de esta alianza se hace uso de la característica única de las ondas gravitacionales de poder investigar el Universo temprano. Esto es muy prometedor para el futuro “, dijo.

Maria Alessandra Papa, científica senior del Instituto Max Planck de Física Gravitacional y jefa de estrategia general del proyecto de análisis de datos agregó: “Cientos de científicos trabajan muy duro para obtener resultados fundamentales, como por ejemplo: los científicos de diseño de instrumentos que comisionan y operan los detectores, los equipos que preparan los datos para las búsquedas astrofísicas, y los analistas de datos que desarrollan e implementan técnicas sensibles para buscar estas  muy débiles y huidizas señales, en los datos”.

El próximo hito importante para LIGO es el proyecto LIGO Avanzado, programado para comenzar a operar en 2014. LIGO Avanzado incorporará los diseños y tecnologías avanzados que se han desarrollado por la Colaboración Científica LIGO. Es financiado por la Fundación Nacional de Ciencias (NSF) de los Estados Unidos, con contribuciones adicionales del Consejo de Servicios Científicos del Reino Unido (STFC) y la Sociedad Max Planck, de Alemania.

Más información en:

http://www.science.psu.edu/

STFC

Científicos de Reino Unido están ayudando a aproximarse más cerca que nunca en la búsqueda de las misteriosas y teorizadas ondas en la fábrica del espaciotiempo (conocidas como ondas gravitacionales) con 25 nuevos equipos para acondicionar el observatorio LIGO, que es una red de detectores diseñados para la búsqueda de esas huidizas ondas.

Financiado por la Fundación Nacional de Ciencias (NSF), de los Estados Unidos, LIGO también nos permite dar una mirada dentro de los eventos más violentos del Universo y trazar sus exóticos fenómenos con gran detalle. Incrementando la sensibilidad de los detectores de LIGO en un factor diez, las mejoras incrementarán las chances de encontrar las ondas gravitacionales y abrir una nueva ventana observacional en el Universo para revisar nuestros actuales modelos y teorías.

El Consejo de Servicios de Ciencia y Teconlogía (STFC) del Reino Unido, está contribuyendo con 8,5 millones de libras esterlinas (unos 14 millones de dólares) para su proyecto multimillonario de actualización, denominado LIGO Avanzado, y está gestionando la participación total del Reino Unido, incluyendo la colaboración de las Universidades de Glasgow, Birmingham, Stratchlyde y Cardiff. Los productos finales del Reino Unido son sistemas en suspensión, los cuales ayudarán a asegurar que los espejos de sílica ultra sensibles en el corazón del detector actualizado no sean influenciados por vibraciones. El detector es sensible a movimientos 100 millones de veces más pequeños que un átomo, por lo que es vital asegurar que las fuentes de ruido sean eliminadas. La tecnología desarrollada en el proyecto europeo GEO-600 está siendo usada para asegurar la performance necesaria para LIGO Avanzado. Actualmente, las nuevas partes están viajando a los Estados Unidos.

La terminación de las mejoras hechas en el Reino Unido viene como Colaboración Científica de LIGO (de la cual, el grupo GEO-600 de Alemania y el Reino Unido es miembro fundador) y al mismo tiempo, la Colaboración Virgo anuncia nuevos resultados que han producido un avance significativo en la comprensión de la evolución temprana del Universo.

En un trabajo publicado  el 20 de agosto de 2009, en Nature, los científicos explican cómo las observaciones de LIGO han seleccionado los más severos límites sobre la cantidad de ondas gravitacionales que pudieron haber provenido del Big Bang en la banda de frecuencia de las ondas gravitacionales, donde LIGO puede observar. Al hacer eso, han reducido las posibilidades de cómo se veía el Universo en sus comienzos.

El Profesor Jim Hough, Investigador Principal del Reino Unido para el proyecto GEO-600, dijo “Este trabajo ayudará a demostrar el entusiasmo y el potencial de los estudios en el campo de las ondas gravitacionales para extender nuestro conocimiento del Universo”.

Se cree que el Big Bang ha creado un flujo de ondas gravitacionales cuando el Universo era muy joven. Estas ondas aún llenan el Universo como un “ruido” de fondo, similar a las ondas al azar que se producen en un estanque en un día ventoso. La intensidad de este fondo de ondas gravitacionales está directamente relacionado con la forma en que el Universo era en el primer minuto luego del Big Bang y, el hecho que hasta ahora no hayamos encontrado ninguna señal, nos dice la máxima intensidad que este fondo podría tener.

Esta información se construye sobre la base de lo que hemos aprendido del estudio del fondo cósmico de microondas – radiación térmica que nos dice cómo era el Universo cuando tenía 380.000 años. Era muy joven, comparado con sus actuales 14 mil millones de años, pero mucho más viejo que el lapso investigado para las ondas gravitacionales.

“Debido a que no hemos observado las ondas gravitacionales del Big Bang, algunos de estos modelos del temprano Universo que predicen un gran fondo de ondas, han sido descartados”, dice Vuk Mandic, profesor asistente en la Universidad de Minnesota.

“Ahora sabemos un poquito más acerca de los parámetros que describen la evolución del Universo cuando tenía menos de un minuto de edad”, agrega Mandic.

Justin Greenhalgh, del Laboratorio Appleton Rutherford, del STFC, dijo: “Cuando esté online, LIGO Avanzado nos permitirá un mayor avance en la investigación de la evolución del Universo temprano. Será capaz de detectar eventos cataclísmicos, tales como colisiones de agujeros negros y estrellas de neutrones, a distancias 10 veces mayores y será sensible a fuentes de ondas gravitacionales extragalácticas en un volumen del Universo 10 mil veces mayor que el que podemos ver actualmente. La nueva sensibilidad del instrumento propulsará aún más nuestro trabajo y nos permitirá revelar más misterios escondidos de nuestro Universo”.

David Reitze, profesor de física en la Universidad de Florida y vocero de la Colaboración Científica de LIGO, agregó: “Las ondas gravitacionales son la única forma de sondear directamente al Universo en el momento de su nacimiento; ellas son absolutamente únicas al respecto. Simplemente no podemos conseguir esta información desde otro tipo de astronomía. Esto es lo que hace que resulte tan excitante esto, en particular, y la astronomía de ondas gravitacionales, en general”.

Las ondas gravitacionales transportan información acerca de sus violentos orígenes y acerca de la naturaleza de la gravedad, que no podemos obtener de las herramientas astronómicas convencionales. La existencia de las ondas fue predicha por Albert Einstein, en 1916, en su teoría general de la relatividad.

El Profesor Keith Mason, Jefe Ejecutivo del STFC, dijo: “Las nuevas actualizaciones a LIGO nos permitirán mejorar nuestras chances de encontrar las ondas gravitacionales. Si LIGO las detecta, será uno de los avances más grandes de nuestra era, uno en el cual los científicos británicos contribuyeron en gran medida con habilidad y experiencia. Esto también abrirá una nueva clase de astronomía que nos permitirá estudiar el Universo en mayor detalle, de una manera de la que no contábamos.”

El análisis recogió datos de los interferómetros de LIGO, un detector de 2 km y otro de 4 km en Hanford, Washington, y un instrumento de 4 km en Livingston, Louisiana. Cada uno de los interferómetros, en forma de L, usa un láser dividido en dos haces que viajan hacia atrás y hacia adelante a lo largo de los brazos del interferómetro.

Más información en:

http://www.scitech.ac.uk/