Detección de ondas gravitacionais

Experimento LIGO

Hoxe, 11-2-2016, confírmase a existencia de ondas gravitacionais. Un interesante achado para a cosmoloxía que nos permitirá coñecer o que sucedía no Universo instantes despois do Big-Bang. Chegan a nós estas ondas procedentes da fusión de dous buracos negros supermasivos (29 e 36 veces respectivamente a masa do noso Sol) que tivo lugar hai 1300 millóns de anos e que xerou un novo buraco de 62 veces a masa do noso Sol. As 3 masas solares de diferenza (29+36=65;  65=62+3) transformáronse en enerxía. E esta enerxía xerada na colisión propagouse polo espazo en forma de ondas gravitacionais que foron detectadas no LIGO (Observatorio de Interferometría LÁSER de Ondas Gravitacionais, situado en Estados Unidos).

Impression of GW generation

A interferometría LÁSER permite detectar a perturbación que a presenza dunha destas ondas  pode xerar na lonxitude dun túnel polo que circula un feixe de luz LÁSER. A técnica consiste nun feixe LÁSER que é dividido en dous camiños perpendiculares entre sí (dous túneles en forma de L de brazos iguais de 4km de lonxitude). Ao chegar ao final do brazo, cada LÁSER rebota contra un espello e volve.

Tunnel

Detéctase a suma dos sinais procedentes da luz de retorno nos dous brazos. Cando unha onda gravitacional está presente, produce a contracción dun dos brazos, así que a luz procedente dos dous brazos non chega ao detector ao mesmo tempo, e isto produce un sinal diferente no detector, pois os feixes de luz interfiren de xeito distinto. Este sinal é o testigo de que, efectivamente, cambiou a lonxitude dun dos camiños.

Tal como prediciu Einstein no ano 1916, unha onda gravitacional perturba o espazo-tempo, así que pode modificar a lonxitude dun dos túneles polos que circulan os feixes LÁSER. Sabede que esta modificación que a onda gravitacional produce na lonxitude do túnel de 4km é do tamaño da dezmilésima parte do diámetro do núcleo atómico (algo así como o tamaño dun balón de fútbol comparado co da Vía Láctea), pero o detector do LIGO é a ferramenta máis sensible do mundo.

Einstein dicía que os obxectos con masa deforman ao seu paso o espazo e o tempo, como unha bola nunha tela elástica. Esta transformación do espazo fíxose patente no acortamento da lonxitude do túnel do LIGO a causa da presenza dunha onda gravitacional.

Einstein xa predixera a existencia das ondas gravitacionais dentro da súa Teoría Xeral da Relatividade. A cantidade de materia implicada na colisión entre buracos negros produce unha pérdida de masa que se converte nunha altísima cantidade de enerxía (E=mc2), enerxía que despois se propagaría polo Universo en forma de ondas gravitacionais. Estas ondas deformarían o espazo-tempo ao seu paso. Por fin podemos dicir que xa foron detectadas co interferómetro do LIGO.

Ábrese un importantísimo camiño á astronomía e cosmoloxía, pois podemos explorar o Universo non soamente analizando a radiación electromagnética (luz de diferentes lonxitudes de onda) que nos chega, senon tamén a través do estudo destas ondas, cuxo comportamento parece semellante ao das ondas de son. Agora poderemos analizar obxectos distantes que non se poden ver con luz, como os buracos negros, e analizar eventos que non soamente xeran luz, senon tamén ondas gravitacionais.

Aparte de LIGO, este ano comezará a funcionar unha versión mellorada doutro gran observatorio de ondas gravitatorias en Europa: VIRGO. Ademais, tamén lanzouse o LISA Pathfinder, unha misión de demostración para un futuro observatorio espacial deste tipo de fenómenos.

 

Masa e peso

A MASA

  • A masa é unha propiedade da materia que expresa a cantidade de substancia que contén. A súa unidade no SI é o Kg e pode ser medida cunha balanza. Preme no debuxo e poderás medir  masa duns obxectos coa axuda dunha balanza de platos, na se se compara a masa descoñecida cunha serie de pesas de masa coñecida.

masaypeso

  •  Nestoutra ligazón podedes empregar unha balanza monoplato:

balanza monoplato

O PESO

  • O peso é a forza coa que un obxecto é atraído hacia o planeta no que se atopa. Como todas as forzas, mídese en Newtons (N). Esta forza de atracción depende da aceleración de caída dos corpos nese planeta, ou aceleración da gravidade (g).
  • Na Terra a aceleración da gravidade “g” vale 9,8 m/s2. Isto é que, cando un obxecto se deixa caer na Terra, este vai caendo cada vez a maior velocidade, concretamente a súa velocidade aumenta en 9,8m/s cada segundo. Non esquezas que (se non hai fricción co aire) a aceleración de caída dos corpos soamente depende do Planeta no que estean, nunca da masa do corpo. Fíxate no seguinte vídeo a partir do minuto 2:33, no que se deixa caer unha pelota e unha pluma nunha xigantesca cámara de baleiro (non hai aire):

  • Por ese motivo, a oscilación dun péndulo non depende da súa masa, e soamente da lonxitude da corda. Compróbao na seguinte simulación, e fíxate como a oscilación varía coa gravidade do planeta:

Resultado de imagen de pendulum phet

  • ¿Como se mide unha forza? Cun dinamómetro: é un resorte graduado que se estira máis canto maior sexa a forza que se lle aplique. Nesta simulación podes observar como varía o alongamento do resorte ao variar a masa. Lembra que P=m·g, onde “g” é a aceleración da gravidade do planeta no que se atopa o obxecto.
  • Na seguinte ligazón podedes empregar dinamómetros para observar como un obxecto produce diferentes alongamentos en diferentes planetas e tamén o que acontece en ausencia de gravidade.

Laboratorio de Resortes y Masa

  • E que pasa se non hai gravidade?

Vídeo

O método científico e a caída dos corpos

Nos inicios do século XVII, un dos pais da Ciencia moderna, o científico Galileo Galilei, estudiou a caída dos corpos. Empregou o método científico para o estudo da influencia da masa na velocidade de caída dos corpos.

A lenda di que lanzou dos corpos de diferente masa dende a Torre inclinada de Pisa para averiguar se chegaban ao chan ao mesmo tempo. E sí, chegaban ao mesmo tempo! Concluíu entón que a aceleración de caída dos corpos non dependía da súa masa.

Pero, por que nós vemos que a pluma tarda máis en caer que a boliña? Galileo pensaba que as diferentes velocidades de caída se debían á presenza de aire no medio. Pero non puido confirmar a súa hipótese, posto que na súa época non había aparellos que fixesen un baleiro dabondo como para eliminar o aire do medio.

galileo

Agora sí que podemos conseguir este baleiro. No seguinte vídeo, podemos observar a caída dunha pluma e unha boliña de acero dentro do chamado “tubo de Newton”. Cando hai aire dentro do tubo, a boliña chega ao fondo moito antes que a pluma (podédelo comprobar polo ruído que fai). Pero, cando se extrae o aire do interior do tubo, podemos ver cómo os dous obxectos chegan ao mesmo tempo. É dicir, que o motivo polo que a pluma chegaba máis tarde, era a súa resistencia ao aire co que vai “tropezando” ao longo do seu descenso.

Neste vídeo tedes unha impresionante demostración da caída dos corpos en ausencia de aire. Nunha xigantesca cámara de baleiro déixanse caer unhas plumas e unha pelota. Ollade o que sucede. O interesante está a partir do minuto 2:33:

De feito, un dos experimentos que se fixeron na Lúa, en ausencia da atmósfera terrestre e, por tanto, sen o rozamento característico da mesma, foi lanzar un martelo e unha pluma ao mesmo tempo, e comprobouse que chegaban ao chan simultáneamente:

A hipótese de Galileo, pódese confirmar! El non puido. De feito, foi un incomprendido na súa época, pois defendía que A Terra xiraba en torno ao Sol, levando a contra aos altos cargos da Inquisición, que o consideraron herexe e o obrigaron a abxurar, é dicir, a admitir que o que el dicía, tras numerosas observacións do movemento planetario ao longo da súa vida, era un erro. El sabía que tiña razón pero, a pesar de todo, abxurou. Podedes ver aquí unha recreación deste momento na película “Galileo”, de Liliana Cavani (1968):