El Nobel de Física pels descobridors de les ones gravitatòries

Era d’esperar. Després de l’anunci del descobriment de les ones gravitatòries l’11 de febrer de l’any passat estava cantat que els que idearen i desenvoluparen la manera de detectar allò tan tènue com aquestes ones guanyarien el Nobel de Física. L’any passat, només unes mesos després de l’anunci, era tècnicament impossible però d’enguany no havia de passar.

Perquè allò que han aconseguit  Reiner Weiss, Kip S. Thorne i Barry C. Barish, amb la Col·laboracio LIGO/Virgo al seu darrere, voreja quasi allò impossible. Fer visible i mesurar la deformació de l’espai-temps de l’ordre d’una mil·lèsima part de la grandària d’un protó causada per pas d’una ona gravitatòria. I usar les dades obtingudes per determinar l’origen d’aquesta ona, resultat del xoc de dos enormes forats negres situats a milers de milions d’anys-llum de distància.

L’existència d’aquestes ones era una de les previsions de la Teoria de la Relativitat General d’Albert Einstein. Tanmateix la complexitat tècnica de detectar-les ho va impedir durant 100 anys.

En el llibre clàssic Gravitation, de Misner, Thorne & Wheeler, editat el 1973, Kip Thorne ja comentava les dificultats de mesurar aquestes esquives ones en el capítol sobre detecció d’ones gravitatòries: “The technical difficulties to be surmounted in constructing such detectors are enormous. But physicists are ingenious; and with the impetus provided by Joseph Weber’s pioneering work, and with the support of a broad lay public sincerely interested in pioneering in science, all obstacles will surely be overcome.” (Les dificultats tècniques que cal superar en la construcció d’aquests detectors són enormes. Però els físics són enginyosos; i amb l’impuls proporcionat pel treball pioner de Joseph Weber i amb el suport d’un ampli públic interessat en la ciència d’avantguarda, tots els obstacles segurament seran superats.)

La detecció de les ones gravitatòries es va aconseguir en els dos  detectors del Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) situats un a Luisiana i l’altre a l’estat de Washington, als EEUU, estacions separades 3002 km. Cada observatori consta d’un interferòmetre de Michelson modificat, format per dos braços iguals de 4 km de longitud, disposats en perpendicular i que es tallen en un dels seus extrems, dintre de tubs d’uns 1,2 m de diàmetre al buit. Per mesurar les longituds relatives dels braços, un únic feix de llum làser es divideix en la intersecció dels dos braços. La meitat de la llum làser es transmet en un braç, mentre que l’altra meitat es reflecteix en el segon braç. Uns espills estan suspesos com a pèndols en l’extrem de cada braç i prop del divisor de feix. La llum del làser en cada braç es reflecteix en aquests espills, i finalment torna a la intersecció, on interfereix amb la llum que arriba de l’altre braç.

Si les longituds dels dos braços s’han mantingut sense canvis, a continuació, les dues ones de llum que es combinen s’anul·len completament entre si (interfereixen destructivament) i no hi ha llum observada a la sortida. No obstant això, si una ona gravitatòria passa per l’interferòmetre pot estirar un braç i comprimir l’altre (al voltant de 1/1000 el diàmetre d’un protó) i els dos feixos de llum en retrobar-se ja no interfereixen anul·lant-se completament i donen un patró d’interferència que es detecta a la sortida. Analitzant aquests patrons de llum es pot aconseguir la informació sobre el canvi de longitud relativa entre els dos braços, que al seu torn informa de les característiques de les ones gravitatòria.

LIGO és un projecte de col·laboració amb més mil investigadors de més de vint països. Tots junts han aconseguit fer realitat una idea que ja té gairebé cinquanta anys. Els premiats amb el Nobel de Física del 2017 han estat, cadascun d’ells amb el seu entusiasme i determinació,  inestimable per a l’èxit de LIGO. Rainer Weiss i Kip S. Thorne, juntament amb Barry C. Barish, el científic i el líder que va dur a terme el projecte, han aconseguit, després de quatre dècades d’esforç, fer realitat la previsió d’Einstein i observar finalment ones gravitatòries.

Recentment s’ha posat en funcionament Virgo, el detector europeu situat prop de Pisa, Itàlia. Amb tres detectors la detecció de les ones és més precisa i permet afinar millor la procedència de l’esdeveniment còsmic responsable. Així el passat 27 de setembre la Col·laboració Virgo i la Col·laboració Científica LIGO presentaren la primera observació d’ones gravitatòries realitzada pels tres detectors conjuntament.

L’observació dels tres detectors va tenir lloc el 14 d’agost de 2017, a les 10:30:43 UTC. Les ones gravitatòries detectades –arrugues en l’espaitemps– van ser emeses durant els moments finals de la fusió de dos forats negres amb masses d’aproximadament 31 i 25 vegades la massa del Sol, localitzats prop d’1,8 milers de milions d’anys llum. El forat negre en rotació resultant té prop de 53 vegades la massa del Sol. Això significa que durant la coalescència es van convertir en energia en forma d’ones gravitatòries aproximadament tres masses solars.

Aquesta va ser la quarta detecció d’un sistema binari de forats negres. Encara que aquest esdeveniment és de rellevància astrofísica, té també un important valor afegit: aquest va ser el primer senyal d’ona gravitatòria captat pel detector Virgo, que ha acabat recentment la seua millora com a Advanced Virgo.

A la Universitat de les Illes Balears hi ha un grup que col·labora amb Ligo (LIGO@UIB) des de fa temps mentre que a la Universitat de València el  Valencia Virgo Group participa en la Col·laboració Virgo des de l’1 de juliol del 2016.

Ah! Per cert, Kip S. Thorne, com a expert en forats negres, va ser el guionista de la pel·lícula de ciència ficció Interstellar en la que els efectes de la Relativitat General són part essencial en el desenvolupament de la trama.

Imatges:
1.- Els guardonats amb el Nobel de Física de 2017.
2.- Els dos forats negres van emetre ones gravitacionals durant molts milions d’anys mentre giraven al voltant de l’altre. Ells tenen més a prop, abans de fusionar-se per convertir-se en un forat negre en algunes desenes de segon. Les onades van arribar a un crescendo que, per a nosaltres a la Terra, a 1300 milions de lliures de distància, semblava com un ximple còsmic que arribava a una parada abrupta.
3.- Diagrama simplificat del detector Advanced LIGO (no a escala). LIGO.
4.- Zona de procedència del senyal de la quarta detecció d’ones gravitatòries feta conjuntament per LIGO i Virgo.

Deixa un comentari

L'adreça electrònica no es publicarà. Els camps necessaris estan marcats amb *