Ondas gravitacionales o resolviendo la gravedad

Cuando paseamos al lado de un río o un lago, es difícil resistir la tentación de tirar una piedra al agua. Nos fascina ver, primero, su vuelo y el impacto sobre la superficie acuática después. En cuanto la piedra impacta sobre el agua, se empiezan a formar ondas concéntricas alrededor del punto en el que la piedra ha golpeado, lo que nos hace quedarnos congelados unos segundos viendo cómo evolucionan dichas ondas.

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Esta escena tan común recoge varios fenómenos que han mantenido ocupados a científicos durante milenios. ¿Qué fuerza es esa que hace que la piedra caiga hacia el agua? y… ¿qué son esas ondas que parecen moverse por la superficie del agua?

En tan solo unos instantes hemos realizado una acción que nos permite observar dos fenómenos físicos de primera magnitud; la gravedad y el movimiento ondulatorio.

La gravedad ha sido (junto con la luz), uno de los grandes motivos de la ciencia. Misterio desde siempre y, aún hoy, su esencia es objeto de deseo de muchos científicos. Bien cierto es que ahora sabemos mucho más sobre esta fuerza de lo que sabíamos en la Antigüedad. Newton primero y Einstein después, aportaron saltos de gigante en cuanto a la fuerza de la gravedad, encontrando un modelo matemático y descifrando cómo se modifican las propiedades del espacio-tiempo alrededor de una masa.

Sin embargo, la naturaleza última de esa fuerza que hace caer la piedra sigue siendo un caso especial y difícil con respecto al resto de fuerzas. De las cuatro fuerzas fundamentales que maneja la física moderna; nuclear fuerte, nuclear débil, electromagnética y gravedad, esta última es la más mágica y esquiva.

unificación

Las teorías de unificación son la punta de lanza de la Física. Intentan buscar modelos y una expresión matemática común para diferentes fuerzas. Hacia 1967, S. Glashow, S. Weinberg y A. Salam mostraron cómo el campo electromagnético y la fuerza nuclear débil se podían entender con un mismo modelo, quedando así unificadas. Más tarde, en los años 70 se propuso un modelo que explicaba tres (nuclear débil, nuclear fuerte y electromagnetismo) de las cuatro fuerzas conocidas de forma consistente. La fuerza nuclear fuerte quedaba también incluida en este modelo propuesto por H. Georgi y S. Glashow. Sin embargo, la cuarta fuerza, la gravedad siempre se ha resistido a ser “unificada” con las otras tres. Hay intentos como la teoría M o la de cuerdas que aún son modelos sin refrendar.

A principios del siglo XXI, sabemos calcular con precisión exquisita los efectos de la gravedad. Hemos refinado las fórmulas de Newton incluyendo los precisos factores relativistas de Einstein. Con ello, el conocimiento de la fuerza, en lo que se refiere sus efectos, es bastante razonable. Sin embargo, nos falta una pieza del puzzle, una pieza clave que es ¿cómo se propaga esa fuerza?

Hoy en día es aceptado por la comunidad científica que la fuerza de la gravedad se propaga como las ondas que se forman cuando la piedra golpea el agua, es decir, de forma ondulatoria y que lo hace a la velocidad de la luz. Los tiempos en los que se suponía que se propagaba de forma instantánea quedaron atrás. Tal y como postulaba la relatividad; nada podía ir más rápido que la luz.

La hipotética partícula que porta esta fuerza sería el gravitón. Su detección directa parece extremadamente difícil, por lo que podemos olvidarnos, por ahora, de dicha tarea puesto que no tenemos tecnología para ello.

Sin embargo, las fuertes perturbaciones del espacio-tiempo originadas por enormes masas colapsando como un agujero negro cuando colisiona con otro agujero o una supernova si que son susceptibles de ser detectadas. No es tarea fácil ya que esta detección está en el límite de la tecnología actual, sin embargo, hay varios observatorio trabajando en ese límite.

Y LIGO (de Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory) es uno de ellos. Se trata de un laboratorio ubicado en dos localizaciones de Estados Unidos y que utilizan sendos interferómetros de cuatro kilómetros de largo cada brazo para detectar variaciones en la distancia entre los espejos del interferómetro de una milésima del tamaño de un protón.

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Las dos instalaciones de LIGO. Cada brazo del interferómetro en forma de L tiene 4 km de largo. (Crédito: LIGO observatory)

El 14 de Septiembre de 2015, ambos observatorios detectaron una perturbación. El retardo en la detección entre ambos observatorios fue de 7 milisegundos más tarde en Hanford, lo que hace pensar que la fuente se encuentra en el hemisferio sur.

Los científicos de LIGO creen que el origen fue la colisión de dos agujeros negros con 29 y 36 masas solares, respectivamente. El colosal choque de ambas masas hizo que unas tres masas solares se convirtiesen en ondas gravitacionales.

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Representación artística de los dos agujeros negros que han dado lugar a las ondas que han detectado con LIGO (Crédito: LIGO observatory)

 

Se ha dicho que se abre una nueva forma de observar el Universo. Es cierto. Tenemos medios para observar el espectro visible, el infrarrojo y el ultravioleta, la zona de microondas, rayos X, rayos gamma… sin embargo, ahora se abre una nueva ventana para poder ver en otra zona realmente apasionante. La zona de la interacción gravitatoria.

 

 

 

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Vídeo del tránsito de Mercurio de Mayo 2016

En AstronomíaConCuchara hemos conseguido obtener un vídeo del tránsito de Mercurio de hoy.

Las condiciones eran bastante difíciles por las abundantes nubes y por la baja altura a la que estaba ya nuestra estrella.

A pesar de su baja calidad, sirve como muestra del evento. En la parte central del disco solar se aprecia una mancha solar y en la parte inferior, la pequeña mancha oscura que se aprecia es el planeta Mercurio.

El vídeo nos permite apreciar la diferencia de tamaños relativos del planeta y la estrella.

La imagen se ha obtenido con un pequeño telescopio de 400 mm  de distancia focal y una cámara DSLR.

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Más tarde publicaremos alguna de las imágenes que se hayan obtenido con filtro H-alpha en la que se podrá disfrutar con toda calidad del disco solar en todo su esplendor y el pequeño planeta.

 

Mercurio delante del Sol. Tránsito del día 9 de Mayo de 2016

Solo los planetas interiores (cuya órbita está más cerca del Sol que la Tierra) transitan por delante del Sol. Un planeta exterior nunca transitará por delante del astro rey, o estará en el lado opuesto o estará detrás del Sol, pero nunca entre el Sol y la Tierra.

Por ello, tan solo podemos disfrutar de tránsitos de Mercurio y Venus. Los dos planetas interiores. Y el próximo Lunes día 9 de Mayo, Mercurio transitará por delante del disco Solar. Se trata de un fenómeno astronómico interesante pero que puede defraudar a algunas personas por lo pequeño de la sombra de Mercurio.

La zona de visibilidad se muestra en el mapa abajo.

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Zona de visibilidad centrada en el océano Atlántico. En España y prácticamente todo América del Sur será observable (Crédito: Xavier M. Jubier) 

Desde que el pequeño disco del planeta entra en la imagen de nuestra estrella hasta que sale transcurrirán unas siete horas.

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Vídeo del tránsito por SCIENCE-NASA

Lo primero que hay que advertir a los que deseen ver el fenómeno es que como cualquier observación en la que el Sol está involucrado hay que tomar todas las medidas de seguridad necesarias para evitar dañar nuestros ojos. NUNCA MIRAR DIRECTAMENTE AL SOL NI CON CUALQUIER APARATO ÓPTICO SIN LA DEBIDA PROTECCIÓN. No son adecuadas las gafas de Sol ni radiografías, etc. La observación solar con medios no adecuados o la mala utilización de instrumentos ópticos apuntando al Sol pueden dañar seriamente nuestros ojos.

En este caso, el pequeño tamaño de Mercurio hace que sea necesario observar el tránsito con algún instrumento óptico.

Vamos a ver las dos opciones más sencillas para la observación del tránsito utilizando unos pequeños prismáticos o un telescopio.

1) La primera forma es la proyección de la imagen sobre una pantalla blanca. Unos simples prismáticos o un pequeño telescopio permiten proyectar la imagen del Sol sobre una superficie blanca. Es muy, MUY IMPORTANTE el evitar que cualquier persona, especialmente niños, se acerquen al prismático o telescopio y mire por el ocular, porque su ojo quedaría inmediatamente dañado. Por tanto, cuidado con la utilización de este método. Hay que tener especial precaución cuando se apunta el instrumento al Sol porque nuestro cerebro tiende a ordenarnos que miremos por el ocular para apuntar y, en ese momento, toda la energía lumínica que concentra nuestro prismático o telescopio es lanzada contra nuestro ojo lo que puede llevar a serios daños en el mismo.

Proyección de imagen con prismáticos. Una de las lentes permanece tapada mientras la otra proyecta la imagen.

Crédito imagen: Wycombe Astronomical Society

Si utilizamos unos prismáticos para la proyección, hay que tapar una de las lentes y realizar la proyección con la otra. Habrá que mover la pantalla adelante y atrás hasta que se encuentre el foco y la imagen sea nítida. Otro cartón montado en el prismático o telescopio ayudará a hacer sombra en la pantalla de proyección para así obtener más contraste y permitir una mejor visualización de la imagen.

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Proyección de imagen con un pequeño telescopio.

Crédito imagen: Steve Ringwood.

La proyección es una forma muy segura de ver el eclipse, pero asegurémonos que nadie se siente tentado de acercarse a mirar por el ocular del telescopio o de los prismáticos.

El tamaño de Mercurio dará lugar a una sombra sobre el disco del Sol que será realmente pequeña. Por ello, habrá que enfocar muy bien el disco Solar y no confundir alguna mancha solar que se encuentre en ese momento sobre la superficie del Sol con el pequeño planeta.

Una mancha solar suele ir en grupo con otras, son irregulares y se mueven lentamente por la superficie del Sol tan solo debido a la rotación de la estrella. Sin embargo, Mercurio se moverá con cierta rapidez (el fenómeno dura unas siete horas) por lo que si esperamos unos minutos veremos si cambia de posición y eso nos ayudará a identificarlo.

2) La segunda forma que queremos describir permite ya mirar a través de nuestro instrumento óptico. Se basa en la utilización de filtro Baader de la prestigiosa marca Baader Planetarium. Colocaremos esta lámina delante de nuestro instrumento óptico. Este filtro consiste en una lámina muy delgada que bloquea un 99.999% de la luz que llega a nuestro telescopio o prismático. El filtro se coloca en la boca del instrumento óptico y es MUY IMPORTANTE fijar el filtro de forma que no se pueda quitar accidentalmente y que el viento no lo despegue del telescopio y permita entrar luz solar directa al instrumento. Eso sería muy peligroso.

También es muy importante tapar el buscador del telescopio si dispone del mismo o incluso desmontarlo para que no haya posibilidad de que nadie mire por él.

Una vez estemos seguros que el filtro está colocado, se podrá mirar a través del instrumento óptico.

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Pequeño telescopio con filtro Baader en la boca

Crédito imagen: Simon Wallis

En todo el planeta (dentro de la zona de visibilidad) el tránsito se verá prácticamente al mismo tiempo, con una variación de dos minutos. Eso es debido a la paralaje de Mercurio respecto al Sol. 

Salvo esos dos minutos, el momento será el mismo y tan solo hay que tener en cuenta el huso horario de cada país. Como referencia, se indican abajo las horas a las que será observable el tránsito de Mercurio en España y en América del Sur.

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Estos tránsitos ocurren varias veces por siglo y, aunque no muy vistosos, siempre nos permiten recordar que estamos en un Sistema Solar tridimensional, en el que unos cuerpos pasan por delante o detrás de otros y se hacen sombra entre ellos. Eso siempre ayuda a olvidarnos de esa idea en el que todo parece situado a la misma distancia ahí arriba. Una idea en la que muchas culturas vivieron durante mucho tiempo.