Ondas gravitacionales: Comprender nuestro Universo

Para entender las ondas gravitacionales debe prever la estructura del espacio-tiempo definido por Albert Einstein en su teoría de la relatividad general (1916). Einstein vinculó las tres dimensiones de espacio y una dimensión del tiempo, en un mismo tejido del espacio-tiempo. Esta tela de cuatro dimensiones "parece" a la superficie de un trampolín estirado por la masa de los planetas, de las estrellas y de las galaxias. Esta distorsión, compresión o curvatura del espacio-tiempo en tres dimensiones es lo que se siente como la gravedad.
En otras palabras, un planeta como la Tierra está en órbita, simplemente porque sigue las curvas de la tela espacial lleno de baches y distorsionada por la presencia del Sol y otros planetas en el sistema solar.
Así las ondas gravitacionales (OG) son deformaciones de la estructura del espacio-tiempo que se propagan en forma de ondas a la velocidad de la luz. Son el reflejo de la dinámica del espacio-tiempo, como resultado de los movimientos rápidos de la materia ordinaria mientras las ondas electromagnéticas (fotones) son producidos por el movimiento de las cargas eléctricas.
En resumen, las ondas gravitacionales o las ondas de curvatura se producen por la aceleración de las masas. Sólo los objetos más relativistas en el universo, los que son muy masivos como los agujeros negros o estrellas de neutrones, pueden "sacudir" un poco el espacio-tiempo, si son acelerados. Por ejemplo, dos agujeros negros o 2 estrellas de neutrones del orden de unas pocas masas solares que giran uno alrededor de la otra, generan ondas gravitacionales. Pero a diferencia de las ondas electromagnéticas, las ondas gravitacionales apenas interactúan con la materia, viajan en el cosmos sin ser absorbidas, lo que hacerlos invisibles en las imágenes electromagnéticas de nuestros telescopios.

Además la variación que debemos detectar (distancia entre picos y valles) es extremadamente pequeña, la frecuencia es una frecuencia muy baja. Si queremos medir sobre 10 000 km (radio de la onda), la variación de la onda gravitatoria generada por un agujero negro en nuestra galaxia, los detectores debe ser capaz de observar un cambio en la longitud de onda de la tamaño de un átomo, que es 10^-10 metros. Por otra parte, estas variaciones son extremadamente raros en nuestra galaxia, debemos mejorar sustancialmente nuestros detectores actual y buscar las variaciones en otras galaxias.
Aunque no detectadas, los científicos saben que existen en el Universo. En 1975, los radioastrónomos Russell Hulse y Joseph Hooton Taylor Alan (Premio Nobel de Física 1993) han encontrado PSR B1913 +16 en la constelación de Aquila, un púlsar binario (dos estrellas de neutrones) con características orbitales excepcionales. De hecho, los dos estrellas orbitan una alrededor de la otra en 7,75 horas en un volumen extremadamente pequeño del orden de 1,1 (periastro) a 4,8 veces (apoastro) el radio del Sol. La pequeña aceleración del periodo orbital de este sistema masivo (los 2 objetos giran más y más rápidamente) y el acortamiento del radio de la órbita (pérdida de 3 mm por órbita) ha permitido demostrar la existencia de las ondas gravitacionales. De acuerdo con la teoría de la relatividad general, la órbita de un sistema binario se modifica lentamente por la emisión de ondas gravitacionales. En un periodo de treinta años Taylor y sus colegas hicieron mediciones que corresponden exactamente a la teoría. Desde varios otros púlsares binarios han confirmado los resultados de Taylor. Las medidas no permiten detectar la energía de las ondas gravitacionales pero son evidencia indirecta de los efectos de las ondas gravitacionales emitidas por un sistema.

Video : representación de las ondas gravitacionales o ondas de curvatura generadas por dos agujeros negros o dos púlsares (estrellas de neutrones). Un pulsar es una estrella de neutrones, muy densa, la densidad de un núcleo atómico, de ahí su nombre. Su campo magnético gigante gira alrededor del eje de rotación a la frecuencia de rotación de la estrella, algunos giran en una milésima de segundo, haz magnético expulsa partículas que generan ondas de radio. Son balizas cósmicas. Cuando dos agujeros negros o dos estrellas de neutrones giran uno alrededor del otro, objetos distorsionan el espacio-tiempo y esta deformación causa que pequeñas ondas gravitacionales como en video.

Un telescopio del Polo Sur llamó BICEP-2 (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization 2) ha permitido a los científicos analizar la polarización de la luz emitida por el universo primitivo. Esta detección confirma la relatividad general de Einstein que ha predicho la existencia de ondas gravitacionales, como un escalofrío del espacio-tiempo provocado por una gran desplazamiento de masas.
Cómo ondas gravitacionales pueden ser detectadas cuando no interactúan con la materia?
El telescopio ha detectado una propiedad sutil del fondo cósmico de microondas descubierta en 1964, la famosa radiación primitiva del Big Bang viejo de 13.82 mil millones años. BICEP midió la polarización de esta radiación de microondas a gran escala. Sólo las ondas gravitatorias primordiales pueden imprimir dicho modelo, sólo si fueron amplificados por la inflación.
¿Qué es la inflación?
La distribución de la materia en el espacio es demasiado uniforme para ser debido únicamente al Big Bang. En la década de 1970, los cosmólogos han imaginado una repentina expansión del universo, que se llama inflación. Esta inflación se llevó a cabo desde el primer segundo después de Big Bang. Sólo la inflación puede amplificar la señal de onda gravitacional primordial suficientemente para que sea detectable. Científicos con BICEP-2 específicamente buscaron medir la polarización del fondo cósmico de microondas, es decir, la orientación del campo eléctrico en el cielo.

Estaban buscando a un tipo específico de polarización llamada B-modo, un modelo del vórtice en las orientaciones polarizadas de luz en el universo antiguo.
En teoría, este modelo de remolino de la polarización (foto) sólo puede ser creado a partir de las ondas gravitacionales. Esto es lo que BICEP-2 ha encontrado. "Esta es una firma muy limpia de estas ondas de gravedad", dijo Stanford físico Kent Irwin.
« Pero debido a la importancia de estos resultados, deben ser vistos con escepticismo... existe, en el estado, rarezas en los resultados que puedan ser inquietantes... estoy deseando ver estos resultados confirmados o refutados otros experimentos », dijo David Spergel, profesor de astrofísica en la Universidad de Princeton. De hecho, la medida es tan difícil de hacer, que fácilmente podría estar contaminada. La colaboración con otros telescopios espaciales como Planck, debería publicar dentro de poco resultados sobre la polarización del fondo cósmico de microondas. Otros experimentos están trabajando en los mismos objetivos, que pueden apoyar o ir en contra de BICEP-2.
El 05 de junio 2014, en el Congreso de la Sociedad Astronómica Americana, David Spergel anunció que el B-Mode polarización detectada por BICEP2 podría ser el resultado de la dispersión de luz en el polvo entre las estrellas de la Vía Láctea. Si las ondas gravitatorias primordiales se esperaban con tanta ansiedad, es que ellos pueden confirmar que la inflación se ha producido.