Ahir dimecres 15 de juny, al Cafè Científic de la Casa Orlandai va venir Roberto Emparan, investigador ICREA al Departament de Física Fonamental (ICC-UB), per parlar d’ones gravitatòries. Abans de començar el felicitem perquè li ha estat atorgada una Advanced Grant de l’ERC (European Research Council). Amb aquesta beca, ens confessa, té cinc anys per a buscar una nova forma d’estudiar els forats negres sense preocupar-se pel finançament.
Una nova col·lisió
Roberto ens explica que ell estudia els forats negres i que, en el mateix moment en què nosaltres som al cafè científic, a San Diego, la col·laboració científica LIGO explica en una roda de premsa que s’ha detectat una nova col·lisió i fusió entre dos forats negres, semblant a la que es va detectar el setembre i es va fer pública el febrer.
En aquell moment, es va detectar la descomunal onada d’oscil·lació en la geometria de l’espai-temps provocada pel cataclisme que va generar la fusió de dos forats negres fa més de mil milions d’anys i que va ser detectada a la Terra el setembre. Aquella troballa va confirmar una predicció de Einstein, i va obrir la possibilitat d’explorar l’univers mitjançant ones gravitatòries, anàlogues al so, i no només amb la llum, com s’havia fet fins aleshores.
Aquest nou senyal que es va rebre el vint-i-sis de desembre als observatoris LIGO de Louisiana i Washington, va ser de nou la col·lisió i fusió de dos forats negres, en aquest cas de menor massa, i en ser rebut alhora pels dos, suggereix que la font deuria ser cap al nord o cap al sud, i no orientat cap a l’est o l’oest, com va succeir amb la recepció del setembre, cosa que indicava una certa orientació de la font. Per a millor precisió caldria que es detectés amb un tercer observatori. Però, anem a pams, què són les ones gravitatòries?
Les ones gravitatòries
En llançar una pedra a l’aigua es genera una oscil·lació i propagació de la vibració del fluid. Això és una ona. El so és també una ona provocada per la vibració en un fluid i la seva propagació. Una altra mena d’ones són les radiacions electromagnètiques, que tenen una composició mixta -partícula i càrrega-, entres les quals es troba la llum visible. Les vam veure en sentir Ramon Pascual parlant del sincrotró. Totes les ones generen vibracions que són detectades per les antenes adequades.
La força gravitatòria genera atracció de masses. Un esdeveniment suficientment fort pot fer vibrar les masses i propagar una alteració en el camp gravitatori. En aquest cas es generarien ones gravitatòries.
En les recents deteccions es va rebre la informació de la vibració i posterior col·lisió de dos sistemes massius. Les antenes que van detectar les ones gravitatòries eren interferòmetres proveïts de làsers.
En efecte, les antenes són anomenades LIGO (Light Interferometer Gravitational-Wave Observatory). Els LIGO estan formats per dos braços, cada un de quatre quilòmetres de longitud, situats en angle recte, i amb el buit fet dins. Representen el major espai de buit a la Terra, tot i que no és un buit absolut.
Una llum de làser dins cada braç es reflecteix en uns miralls extraordinàriament polits, que mesuren les petites vibracions de la llum amb molta precisió: podrien mesurar la distància a l’estrella més propera amb un error com del gruix d’un cabell. O, com si afegint un litre d’aigua al mar volguéssim mesurar la pujada del nivell de l’oceà. És la llum que permet de mesurar amb aquesta precisió. Aquestes petites vibracions de la llum detectades al LIGO corresponen a les vibracions de l’espai-temps. I què és l’espaitemps?
La teoria de la relativitat
Einstein va mostrar que la força de la gravetat no existeix: no hi ha cap força que atregui masses com existeix atracció en un camp electromagnètic. Va atribuir l’atracció gravitatòria a una deformació de l’espaitemps, una nova concepció de l’espai en quatre dimensions perquè afegeix el temps.
Segons aquest concepte d’espaitemps, l’Univers està format per un teixit rígid però elàstic, que en principi és pla, però que quan rep una càrrega d’energia i massa es deforma, cosa que provoca un camp gravitatori entorn el cos que provoca la pertorbació. El descobriment d’Einstein va desbancar l’univers newtonià rígid i pla.
Imaginem un llit elàstic, si en ell hi ha una síndria, en afegir-hi una bala de vidre, aquesta s’acostarà a la fruita “com si” hagués estat atreta per ella, quan en realitat el que succeeix és que la síndria provoca una deformitat en el llit elàstic que fa que la bala de vidre no pugui més que acostar-s’hi. Aquest llit elàstic imaginari seria l’espaitemps de la teoria de la relativitat general.
Tot i això, les fórmules de la Llei de la Gravitació Universal de Newton funcionen en distàncies curtes; bé es va poder predir l’existència de Plutó i bé serveix per predir els moviments de la Lluna. En dimensions superiors o altres situacions, com ara per a descriure l’òrbita de Mercuri, s’aplica el model de la teoria de la relativitat general.
Els forats negres
Els forats negres són concentracions molt massives, com ara trenta vegades la massa del Sol. El radi del Sol és de gairebé 700.000 Km (més de cent vegades el de la Terra) i la seva massa de gairebé 2x10elevat a 27 tones (com gairebé 333.000 Terres). Imaginem que aquesta massa gegantina del Sol està compactada en un volum de 3 km de radi. Seria un objecte molt massiu que deformaria l’espaitemps i faria “com si” atragués qualsevol altre massa propera. Quan dues masses similars interactuen, provoquen alteracions de l’espaitemps que generen ones gravitatòries.
La detecció d’ones gravitatòries és especialment enriquidora en la col·lisió de forats negres, que no poden ser vistos, ja que no tenen llum; i perquè les col·lisions tampoc no generen senyal lumínic. Les ones gravitatòries d’una col·lisió entre dos forats negres són generades en un temps molt curt, de mil·lisegons. La col·lisió i fusió de dues galàxies amb forats negres duraria molt més temps, i generaria ones gravitatòries durant segons. Aquestes ones, generades durant un esdeveniment cataclísmic, viatgen a la velocitat de la llum. I després es perden, com s’han perdut els senyals que han pogut arribat a la Terra abans d’ara.
El projecte
Albert Einstein, en la seva teoria de la relativitat general va predir l’existència d’ones gravitatòries. Si dos objectes massius col·lisionaven havien de generar una vibració gravitatòria. El 1974 van ser detectades indirectament per Hulse i Taylor estudiant un púlsar, per la qual cosa van rebre el Premi Nobel de Física el 1993. Però directament no havien estat detectades.
Fa uns trenta anys, Rainer Weiss, investigador al MIT, va començar a idear una antena que pogués detectar les ones gravitatòries. En el projecte van participar també l’escocès Ronald Drever i Kip Thorne. I molts altres investigadors. Van planejar dos observatoris, un a Louisiana i l’altre a Washington, separats per tres mil quilòmetres, una distància que la llum triga en recórrer 10 mil·lisegons.
I, quan l’observatori LIGO encara no estava en fase d’observació sinó en fase d’enginyeria, va arribar l’èxit, la primera detecció d’ones gravitatòries. En realitat s’esperava que el primer senyal fos rebut cap al 2017 ó 2018, de manera que va estar una sorpresa ben agradable. Ara, amb quina freqüència es detectaran més ones gravitacionals? No se sap. Mensualment, dues vegades l’any? Està per veure. Però la detecció d’ones gravitatòries explicaran de ben cert la història de l’Univers.
L’article publicat a Physcal Review Letters amb l’observació del setembre estava signat per un miler de científics, els que participen en la col·laboració LIGO, entre ells hi ha investigadors de la Universitat de les Illes Balears, que busquen patrons que permetin eliminar senyal sísmic artefactual provocat, per exemple, per la caiguda de branques d’arbre durant una tala o per la vibració que generen camions passant per una carretera pròxima.
Roberto ha rebut l’advanced grant de la ERC que comentàvem al principi per a trobar algoritmes que facilitin aquesta feina. Faran un plantejament teòric en un univers amb infinites dimensions, i quan trobin la millor aproximació, aniran baixant les dimensions. Quan li preguntem perquè treballen així, ens explica un acudit.
Si es demana a un biòleg com funciona una vaca respondrà segurament donant arguments bioquímics, fisiològics o anatòmics. En preguntar-li a un enginyer, parlarà de la mecànica amb que es mouen les potes o la cua. En demanar-li a un físic, respondrà: “Imaginem una vaca esfèrica i sense fregament”. I així fan les aproximacions. Imaginen una situació que s’acosta a l’ideal i desprès hi afegeixen correccions.
Les possibilitats que obre
Roberto diu que quan explica en què consisteix la possibilitat de detectar ones gravitatòries projecta una imatge idíl·lica d’un espai natural en què hi ha un salt d’aigua. Però sense so. I, al cap d’una estona afegeix el so, aleshores se sent l’aigua com cau, el cant dels ocells… elements que ni se sabia que hi eren. És afegir un nou sentit en l’estudi de l’Univers.
La possibilitat d’estudiar el so obre un nou camp de recerca que no sabem on durà. Com quan Galileu va observar amb el seu telescopi els cràters de la Lluna, les taques del Sol i els satèl·lits de Júpiter. O quan Cristòfol Colom buscant un camí nou per arribar a l’Orient va descobrir un nou continent.
Quan li preguntem a Roberto què li va dur a estudiar forats negres ens respon que com podria mai NO haver dedicat la seva vida a estudiar forats negres. Ens explica que quan tenia deu anys va trobar en un llibre l’explicació de la llei de Newton de la gravitació universal. En veure que la força de gravitació era igual al producte de les masses dividit per distància que les separa al quadrat, multiplicat per una constant, tot i no entendre què volia dir, li va semblar una fórmula molt senzilla i poderosa alhora. Que l’univers i els seus fenòmens es podien entendre bé amb fórmules senzilles. “Y estoy en ello”.
Aquest cap de setmana (18 i 19 de juny de 2016) científics de l’ICC-UB participaran a la Festa de la Ciència al Parc de la Ciutadella, que enguany celebra el seu desè any. També hi haurà moltes altres activitats de recerca de frontera. Recomanat.
Imatges: Wikimedia commons i LIGO.
Més informació
El so comparat de les dues ones gravitatòries detectades pel LIGO.
La cançó de l’Univers. Cristina Junyent. Nació Digital (13/02/2016)
Focus: LIGO Bags Another Black Hole Merger. Physical Review Letters (15/06/2016)
Cent anys de relativitat (vídeo). Roberto Emparan a Pessics de Ciència (20/01/2016)
Els forats negres són la física al límit. Roberto Emparan (08/06/2016)
