Ones gravitacionals: teoria o realitat?

Segons la teoria de la gravitació universal de Newton, de fa més de 300 anys, la força de la gravetat es transmet instantàniament a qualsevol punt de l’espai, sense tenir en compte la distància. Einstein, fa cent anys, dona una  nova concepció de la gravitació, dins del marc de la teoria general de la relativitat. L’espai i el temps deixen de ser el marc estàtic on, segons Newton, es produeixen els esdeveniments de l’univers, per a ser part del propi univers, presentant propietats inesperades com la curvatura o l’expansió de l’espai o que el temps pugui transcórrer més ràpidament o més lentament.
Les forces gravitatòries deixen de ser instantànies i passen a tenir una velocitat finita, de valor igual a la velocitat de la llum, o qualsevol altre radiació electromagnètica. Aquest valor és igual, aproximadament, a 300.000 km/s i és una de les constants bàsiques de la física.

Però les novetats que va aportar la nova teoria no acaben aquí. Einstein ja es va adonar que la naturalesa de l’espai-temps implicava que aquest pogués tenir pertorbacions de tipus ondulatori, que es propagarien a la velocitat de la llum. Tota massa amb moviment accelerat emet ones gravitacionals, que són transversals, com les ones que genera una pedra que cau a la superfície de l’aigua. Einstein va realitzar els càlculs per peces d’acer accelerades per forces mecàniques. L’ona generada es podria detectar amb dues petites masses flotants separades una certa distància i col·locades en el seu camí. L’efecte de l’ona seria alterar lleugerament la distància que separa les masses. Però l’efecte és perceptible només en el cas d’ones gravitacionals generades per cossos molt massius. Per exemple, la Terra en el seu moviment al voltant del Sol perd uns 200 watts en forma d’ones gravitacionals, el que resulta pràcticament indetectable. De forma que, una vegada més, la predicció d’Einstein de l’existència d’ones gravitacionals va quedar com una curiositat teòrica.

Més de mig segle més tard, els físics es van adonar que les ones gravitacionals es podien generar també en masses accelerades per la seva pròpia acció gravitatòria. Els sistemes estel·lars binaris eren bons candidats a ser emissors d’ones gravitacionals que es poguéssin detectar: dos forats negres en col·lisió provocarien ones gravitacionals amb tanta energia com la que radiarà el Sol en forma d’energia electromagnètica durant 100 milions d’anys. Una altra qüestió és que l’energia radiant, de la forma que sigui, es transmet en totes direccions i decreix molt ràpidament en funció de la distància a la font. Per exemple, a pocs milers d’anys-llum de distància, la fabulosa energia emesa per els forats negres anteriors seria absolutament imperceptible. Per tant, hem de trobar aquests fenòmens dins de la nostra galàxia o en galàxies properes per què siguin detectables.

Dins de la Via Làctia es produeixen molt poques col·lisions de forats negres i les supernoves, una altra font d’ones gravitacionals detectables, es produeixen aproximadament a raó d’una per segle. Per això es pensa ara en el cúmul de Virgo, format per més de mil galàxies, situat a uns 50 milions d’anys-llum, com un dels candidats a generar ones gravitacionals detectables, potser en uns pocs anys.
(1) (2) (3)

Constel·lacio de l’Àguila.
Imatge de Wikimedia Commons. Autor: Till Credner

Però que les ones gravitacionals no hagin estat mai detectades, no vol dir que no es tinguin proves indirectes de la seva existència. El 1974, Russell A. Hulse i Joseph H. Taylor de la universitat de Massachusetts Amherst van descobrir un púlsar que orbitava entorn d’una estrella de neutrons. Es trobava a la constel·lació de l’Àguila, a 17 anys-llum de la Terra. Mesurant la distància mínima a la que es trobaven ambdós objectes, el púlsar i l’estrella de neutrons, durant 30 anys, es va trobar que aquesta disminuïa d’acord amb la pèrdua d’energia per emissió d’ones gravitacionals que prediu la teoria general de la relativitat. El descobriment del púlsar va suposar a Hulse i Taylor el premi Nobel de física de 1993. (2) (4) (5) (6)

Un púlsar és una estrella de neutrons en ràpida rotació, amb un intens camp magnètic, que emet ones de ràdio en forma de feix que segueix la direcció dels pols. Si la Terra es troba en el con d’emissió de les ones de ràdio, aquestes podran ser detectades en forma precisa i a intervals molt regulars. El primer púlsar va ser detectat el 1967 per Anthony Hewish i Jocelyn Bell. (Veure:  http://www.deciencia.net/descobriment/?p=112 )

Representació d’un sistema binari de púlsars.
Imatge de Wikimedia Commons. Credit: Michael Kramer (Jodrell Bank Observatory, University of Manchester)

El 2003, un equip del que formava part Michael Kramer, un dels autors de l’article (2), va descobrir el primer sistema estel·lar binari format per dos radiopúlsars actius. Malgrat trobar-se més lluny de la Terra (3.500 anys-llum) que el púlsar de Hulse i Taylor, la velocitat a la que es mouen dins de les seves òrbites, d’un milió de km/h i el fet de ser dos púlsars enlloc d’un sol, eren aspectes que el feien ideal per a comprovacions dels efectes relativistes. Respecte a l’aproximació d’ambdós púlsars per efecte d’emissió d’ones gravitacionals es va comprovar en tant sols set anys que la distància disminuïa a raó de 7 mm diaris, degut a l’emissió d’ones gravitcionals. Notem que en el cas del púlsar de Hulse i Taylor, aquesta comprovació va requerir 30 anys de mesures. (2)

Potser algun dia podrem mesurar, en aquest sistema de púlsars binaris, l’energia radiada en forma d’ones gravitacionals. Per fer-ho, la precisió de les mesures hauria d’augmentar en un factor de 70 i per tant, haurem d’esperar encara uns anys. Per ara, ens haurem de conformar amb les proves indirectes de les que hem donat notícia.

Fonts d’informació:

(1) El telescopio de Einstein, Evalyn Gates. Editorial Alba. 2011.
(2) Michael Kramer i Norbert Wex. Púlsares y ondas gravitacionales, Investigación y Ciencia, abril 2013.  http://www.investigacionyciencia.es/investigacion-y-ciencia/numeros/2013/4/plsares-y-ondas-gravitacionales-10991
(3) http://imagine.gsfc.nasa.gov/docs/features/topics/gwaves/gwaves.html
(4) http://adsabs.harvard.edu/full/1975ApJ…195L..51H
(5) http://www.astro.cardiff.ac.uk/research/gravity/tutorial/?page=3thehulsetaylor
(6) http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1993/

Audio de la xerrada

Emissió de Ràdio Banyoles, dins del programa d’Astrobanyoles
“Sopa d’estrelles” del 13 de juny de 2013.

Aquesta entrada ha esta publicada en cosmologia, premis nobel. Afegeix a les adreces d'interès l'enllaç permanent.

Deixa un comentari