Denis Barkats
John Kovac
On 17 March, John Kovac announced to the world that he and his team of radio astronomers hadfound the imprint of gravitational waves from the Big Bang. They did so by looking at the cosmic microwave background (CMB), sometimes called the 'afterglow' of the Big Bang, using BICEP2, a telescope experiment based at the South Pole. This signal of gravitational waves was seen in the polarization of the CMB — similar to the kind of polarization that certain sunglasses block — over a small patch of sky.
This polarization map, which is reminiscent of the way iron filings arrange themselves on a surface under the effects of a magnetic field, was found to have particular vortex-like, or curly, patterns known as B modes. The presence of B modes is a tell-tale sign of the passage of gravitational waves generated during inflation, a brief period during which the Universe underwent an exponential expansion, right after its birth. If the findings stand up, they will put the current preferred picture of cosmology on solid foundations, and could have significant implications on fundamental physics as well.
Kovac is a radio astronomer at the Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics in Cambridge, Massachusetts. Here he talks to Nature about the findings and some of their implications.

What are we seeing in BICEP2's snapshots of the CMB polarization?

The most important result we’re focused on is the implications of the signal we detected for models of inflation. We are seeing a direct image of a [primordial] gravitational wave, causing light to be polarized in a particular way. The CMB is a snapshot of the Universe 380,000 years after the Big Bang, when the radiation first streamed freely into space, but the gravitational-wave signal was imprinted on the CMB a tiny fraction of a second after the birth of the Universe.

Nature special: Waves from the Big Bang

What else is important about the finding?

Everyone in cosmology knows — but it is not widely appreciated — that the prediction about B modes from inflation relies not just on the phenomenon of gravitational waves but on the quantization of gravity itself. Inflation assumes that everything started out as quantum fluctuations that then got amplified by inflation. So at a very deep level, this finding relies on the connection between quantum mechanics and gravity being right.

Did it cause concern that BICEP2 had detected a B-mode polarization signal that was nearly twice as high as data from the Planck spacecraft suggested?

The Planck data [released so far] came from a temperature map of the CMB, not from a direct polarization measurement. We were always committed to doing an extra careful job on this analysis, but I will admit that the presence of a larger signal-to-noise ratio in our data [compared with the Planck data] sharpened our focus in thinking about every possible systematic explanation over the past three years that could have falsified the signal. We’ve done the most extensive systematic analysis that I’ve ever been involved in by far.

When did you first realize that you had detected the long-sought 'smoking gun for inflation'?

Last fall, when we first compared the BICEP2 signal with BICEP1. That was very powerful because BICEP1 had very different detectors and used much older technology. So the fact that we were able to see the same signal with this completely different kind of telescope laid a lot of lingering doubts to rest. The remaining sceptics on our team were convinced at that point.
In early December I was at the South Pole and we had a very intense meeting where I laid out all the tests the data had passed and the milestones still to be achieved, and that we would publish if those remaining tests were passed.

Did you celebrate at that point, or have you celebrated since then?

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My role in this process has been to remain calm at all times. The time to celebrate, I think, will be once we have published our results and presented them to the scientific community.

What got you interested in the CMB in the first place?

In high school, I read Steven Weinberg's excellent popular book on cosmology, The First Three Minutes [Basic Books, 1977], and it captured my imagination. I remember reading the words:
"Now we come to a different kind of astronomy, to a story that could not have been told a decade ago. We will be dealing not with observations of light emitted in the last few hundred million years from galaxies more or less like our own, but with observations of a diffuse background of radio static left over from near the beginning of the universe."
That's how Weinberg introduced the discovery of the CMB and its implications, then still very fresh, for cosmology. As a kid, it seemed clear to me that this was the coolest thing in all of science — there are no bigger questions.
I chose to go to Princeton University as an undergrad partly because I read about it in that book. [Some of the major players in the field of CMB astronomy] Jim Peebles, Robert Dicke and David Wilkinson were there, and by an incredible stroke of fortune I was assigned to Dave Wilkinson for a work-study job. He directed me to a CMB lab that was planning to try to build a CMB telescope at the South Pole. I became so captured that I actually took a year out of school to get a chance to go to the South Pole myself. That was 1990–91, not long before the Cosmic Background Explorer (COBE) satellite discovered the first fluctuations in the CMB. Our telescope at the South Pole saw them, too, less than a year later. I've been doing it ever since: 23 trips to the pole and a career in which I've been fortunate to work at the frontiers of CMB.

You have a picture of the late astrophysicist Andrew Lange, of the California Institute of Technology in Pasadena, on your bookshelf. He mentored many students who were conducting CMB experiments before he lost his battle with depression and committed suicide in 2010. What role did he play in shaping your career?

I worked in Andrew's lab as a postdoc at Caltech and then as a senior fellow before moving to Harvard. Andrew was an inspiration and a close friend. He entrusted me with a huge amount of responsibility, encouraging me to take charge of the deployment and operation of the BICEP1 telescope and then to step into the role of [principal investigator] and leader of the next one, BICEP2.
Andrew was fond of describing the quest for B-mode polarization as "cosmology's great wild goose chase". He would have enjoyed seeing this result, and knowing that we found not a goose but an ostrich!
I was also a graduate student of [University of Chicago astronomer] John Carlstrom. While John is currently a competitor [at the South Pole Telescope], he is also one of my closest friends. I have had two amazing mentors.

How old is your son, and what does he think about all of this?

Nine. He’s very excited and it’s amazing how much he can absorb and understand and explain to my wife. He would go to the South Pole with me if he was old enough.
Source: http://www.nature.com/news/how-astronomers-saw-gravitational-waves-from-the-big-bang-1.14885
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John M. Kovac

Associate Professor of Astronomy and Physics
John M. Kovac
Research Interests: His cosmology research focuses on observations of the cosmic microwave background (CMB) to reveal signatures of the physics that drove the birth of the universe, the creation of its structure, and its present-day expansion. His research over the past two decades has involved the design, deployment, and operation of multiple generations of radio telescopes at the Amundsen-Scott Station at the South Pole.
During his graduate studies at the University of Chicago, Professor Kovac led the Degree Angular Scale Interferometer (DASI) telescope's polarization measurements which achieved the first detection of CMB polarization in 2002, for which he was awarded the Grainger Prize Fellowship.  During Professor Kovac's subsequent years at the California Institute of Technology as a Millikan Postdoctoral and Killroy Research Fellow, he worked on the first bolometric polarimeters (QUAD and BICEP) designed specifically to target the B-mode signature of an Inflationary origin of the universe.  Their South Pole-based observations provide the most powerful published constraints of this signal. The generation of telescopes now operating at Pole (BICEP2 and SPUD) achieve sufficient sensitivity to test definitively the leading models of the physics of the Big Bang. The goals of the next generation of telescopes (POLAR-1/POLAR Array) include a complete high-redshift lensing survey of southern sky, measurements of neutrino mass and dark energy.

His courses include an advanced astrophysics lab (Ay191) in which undergraduates detect their own evidence for the Big Bang.
He has authored over 30 refereed publications on his research and has co-organized meetings on astrophysics from Antarctica including NSF workshops, SCAR working groups, and an upcoming IAU 2012 special Symposium.  He is a 2011 Alfred P. Sloan Research Fellow and a recipient of the NSF Career Award (http://astronomy.fas.harvard.edu/news/john-kovac-assistant-professor-harvards-astronomy-and-physics-departments-has-been)

Kovac Lab Locations

160 Concord Avenue, Room 106
Cambridge, MA 02138

Highbay
38 Oxford Street
Cambridge, MA 02138

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El descubrimiento científico que demuestra que hasta Einstein podía equivocarse


por Carlos Sopuerta
Galileo, Newton, Einstein o Maxwell: analizamos el largo camino de descubrimientos que han desembocado en el hallazgo sobre el origen del universo anunciado esta semana.
Acabamos de asistir a la presentación de los resultados del experimento BICEP2 y la onda expansiva mediática que ha generado, dada la importancia de sus consecuencias. En breve, este experimento ha conseguido medir el efecto de las ondas gravitatorias producidas prácticamente en el origen del universo (en el Big Bang) en el fondo cósmico de radiación de microondas, un fósil de las épocas primitivas del universo, en las cuales se formaron los primeros átomos y se desacoplaron la materia y la radiación. Este fondo fue detectado hace 50 años por Arno Penzias y Robert Wilson (ambos obtuvieron el Nobel de Física en el año 1978 por este hallazgo) y, desde entonces, ha sido una fuente inagotable de información sobre la historia del universo y los procesos físicos que tuvieron lugar en sus diferentes etapas.
Ahora, la colaboración BICEP2 nos proporciona la siguiente entrega, ni más ni menos que evidencia de las ondas gravitatorias generadas en el inicio del universo, proporcionando más soporte a la teoría de la inflación cosmológica, la cual nos dice que en los instantes iniciales del universo hubo una inmensa expansión del espacio en un periodo brevísimo de tiempo. Esto es fundamental para entender cómo diminutas fluctuaciones cuánticas presentes en el inicio del universo pudieron ser amplificadas para dar lugar a las semillas de las estructuras a gran escala que hoy vemos (galaxias, cúmulos de galaxias, etc). Todo esto es muy interesante pero el punto clave de las observaciones de BICEP2 es la evidencia de las ondas gravitatorias primigenias. Y la pregunta que surge de forma inmediata es qué son las ondas gravitatorias. En lo que sigue intentaré dar una respuesta a esta pregunta repasando su historia básica y mencionando el enorme potencial que tienen para proporcionarnos en el futuro cercano descubrimientos tan revolucionarios como el anunciado por BICEP2 o incluso de mayor envergadura.

La historia del Big Bang

Podríamos comenzar esta historia precisamente con el origen del estudio de otras ondas mucho más conocidas por todos, las ondas electromagnéticas. Para ello nos hemos de remontar a la época en la que James Clerk Maxwell (1831-1879) sintetizó todo el conocimiento previo sobre electricidad y magnetismo en una teoría única de la que dedujo la existencia de las ondas electromagnéticas (oscilaciones de los campos eléctricos y magnéticos que se viajan por el espacio). Fue incluso más allá concluyendo que la luz misma no es más que ondas electromagnéticas.
En 1905, Albert Einstein revolucionó la física con la publicación de la teoría especial de la relatividad, la cual resolvía las inconsistencias entre las leyes del movimiento de Galileo y Newton y el electromagnetismo de Maxwell, cambiando las nociones de las relaciones entre espacio y tiempo establecidas. Einstein se dio cuenta de que su teoría generaba, a su vez inconsistencias, con las leyes de gravedad de Newton y se lanzó a la búsqueda de una teoría que resolviese este problema. Fue un largo camino de diez años que concluyó en el 1915 con la finalización de la teoría general de la relatividad, conocida simplemente como relatividad general, un logro intelectual inmenso. La relatividad general supone un ruptura con concepto de la gravedad como fuerza, presentándola como la manifestación de la estructura geométrica del espacio y del tiempo, la cual se determina por la cantidad de masa y energía (cuya equivalencia estableció la relatividad misma) presentes. De esta forma, el Sol deforma la geometría a su alrededor de tal forma que la órbitas de los planetas no son más que las trayectorias de recorrido más corto en esa geometría.
La teoría de la relatividad general es un logro intelectual inmenso
Einstein nos proporcionó, junto con la relatividad general, tres predicciones de esta teoría: Primero, la desviación de la luz al pasar cerca de objetos masivos. Segundo, una explicación a la precesión anómala de Mercurio. Y tercero, la existencia de ondas gravitatorias. Las dos primeras fueron comprobadas hace tiempo, y en particular la primera le dio a Einstein fama mundial tras el anunció en 1919 de que las observaciones durante un eclipse solar total confirmaban la predicción. De la tercera predicción sólo tenemos evidencia indirecta ,aunque muy sólida, como veremos.

¿Qué son las ondas gravitatorias?

Las ondas gravitatorias son una consecuencia del hecho de que el espacio pase de ser un simple contenedor de los fenómenos físicos (en la física de Galileo y Newton) a convertirse en un objeto dinámico, en el sentido que su geometría cambia conforme a los movimientos y distribuciones de masas y energía. Al tiempo físico le sucede algo similar, de forma que su transcurso también depende de la distribución de masa y energía. Una consecuencia de este carácter dinámico del espacio-tiempo es que las oscilaciones de su geometría se propagan como ondas a la velocidad de la luz. Las ondas gravitatorias, al cambiar la geometría local de las regiones que atraviesan, cambian la distancia física entre objetos, siendo dicho cambio proporcional a la distancia misma y a la amplitud de la ondas.
En dos ocasiones, Einstein dijo que no existían las ondas gravitatorias
Aunque Einstein mismo las predijo e incluso describió muchas de sus propiedades, es conocido que más tarde, en dos ocasiones, declaró que no existen las ondas gravitatorias, cambiando de opinión las dos veces. Aunque actualmente no hay dudas sobre su existencia y sobre cómo se generan, el tema ha sido objeto histórico de grandes controversias teóricas y debates espinosos.
En cualquier caso, las dudas se disiparon tras el descubrimiento en 1974 del primer púlsar binario, PSR B1913+16, por Russell Hulse y Joseph Taylor (Nobel de Física en el año 1993). Los púlsares son estrellas de neutrones que emiten electromagnéticamente en la dirección del eje de su fuerte campo magnético, el cual no suele estar alineado con el eje de rotación, haciendo que los pulsares sean poderosos faros cósmicos. Los pulsos que recibimos llegan con un ritmo tan uniforme que los convierte en relojes de precisión comparable a los relojes atómicos.
El púlsar de Hulse y Taylor orbita alrededor de otra estrella de neutrones de forma que el tamaño de la órbita es suficientemente pequeño como para que estas estrellas tan compactas (¡su masa es mayor que la del Sol pero su radio es de tan sólo unos 10 kilómetros!) se muevan de forma que los efectos relativistas importen para una descripción precisa del sistema. En particular, el movimiento orbital periódico de estas estrellas de neutrones produce cambios periódicos significativos en la geometría del espacio-tiempo de su entorno, es decir, ondas gravitatorias que se llevan energía disminuyendo el tamaño y el periodo orbital. Los casi 40 años de observaciones del púlsar binario de Hulse y Taylor han permitido comprobar que la evolución de su órbita coincide con la predicha por el mecanismo de emisión de radiación gravitatoria de la relatividad general con una precisión relativa del 0,2%.
La construcción de un detector de ondas gravitatorias supone un gran reto tecnológico
La debilidad de la gravedad en relación a otras interacciones físicas implica que las ondas gravitatorias tengan una amplitud relativamente pequeñ, y que su detección sea una empresa extremadamente complicada, sólo siendo posible detectar aquellas producidas en grandes cataclismos cósmicos, como la colisión de dos estrellas de neutrones o de dos agujeros negros. Aún así, las ondas gravitatorias emitidas inducirían desplazamientos subatómicos en un detector. Por lo tanto, la construcción de un detector de ondas gravitatorias supone un gran reto tecnológico, y tal empresa no comenzó hasta los años 60, con el trabajo pionero de Joseph Weber en detectores resonantes. Los detectores actuales usan la interferometría láser, siendo la idea de funcionamiento relativamente simple: cuando una onda gravitatoria incide perpendicularmente al plano del detector produce cambios en la longitud de los brazos del interferómetro, de forma que mientras uno se acorta el otro se alarga y viceversa. Estos cambios dan lugar a interferencias de las cuales se puede inferir el patrón de las ondas gravitatorias que han atravesado el detector.
Tras décadas de desarrollo científico y tecnológico, nos encontramos ante la que promete ser la era de la astronomía de ondas gravitatorias. Para ello hay varios frentes de acción en marcha. En tierra tenemos que a finales de este año la segunda generación de detectores interferométricos terrestres comience a operar y se espera que anuncie las primeras detecciones en los próximos años. Este esfuerzo está liderado por los detectores LIGO en los Estados Unidos (de 4 kilómetros de brazo) y VIRGO en Italia con participación de varios países europeos (3 kilómetros de brazo). Japón se unirá a esta carrera con su futuro detector KAGRA (bajo tierra y con criogenia), mientras que Alemania mantiene GEO600 (600 metros de brazo), el cual ha servido de prototipo para gran parte de la tecnología involucrada en estos instrumentos.
Los detectores terrestres operan en la banda alta de frecuencias, donde serán sensibles a las ondas gravitatorias emitidas principalmente por colisiones de sistemas binarios formados por agujeros negros estelares y estrellas de neutrones; oscilaciones de estrellas de neutrones; explosiones de supernovas; y fondos cosmológicos de diverso origen. Estas observaciones revelarán información clave para entender la formación de objetos compactos estelares, la ecuación de estado de estrellas de neutrones o la validez de la relatividad general.
En los próximos años asistiremos al establecimiento de una nueva forma de ver y entender el cosmos
Por otro lado, los detectores terrestres, debido al ruido producido por gradientes en el campo gravitatorio terrestre, no pueden acceder a la banda de bajas frecuencias, la cual es de gran interés por el tipo de fuentes de ondas gravitatorias que contiene y el potencial científico de estas. Por este motivo, la Agencia Europea del Espacio (ESA) acaba recientemente de seleccionar para su futura misión L3 (clase grande) la ciencia del detector de ondas gravitatorias espacial eLISA (con un presupuesto de has ta 1.400 millones de euros y un lanzamiento previsto para 2034). Las fuentes que eLISA podrá detectar son colisiones de agujeros negros supermasivos (por encima del millón de masas solares); la captura y posterior caída orbital de objetos estelares compactos (enanas blancas, estrellas de neutrones, agujeros negros estelares) hacia agujeros negros supermasivos; sistemas estelares binarios ultracompactos en nuestra galaxia; fondos de radiación gravitatoria de origen cosmológico; etc. Con las observaciones de eLISA de este tipo de sistemas se podrán estudiar cuestiones tan importantes como el origen y crecimiento de los agujeros negros supermasivos, así como su conexión con los procesos de formación y evolución galáctica; entender la dinámica estelar en núcleos galácticos; comprobar si los agujeros negros son como los describe la relatividad general y poner a prueba teorías alternativas a la relatividad general.

Misión de la ESA

El próximo año asistiremos al lanzamiento de la misión LISA Pathfinder de la ESA, la cual se encargará de demostrar la tecnología principal de eLISA, con participación destacada del Instituto de Ciencias del Espacio (CSIC-IEEC), que contribuye a la misión con instrumentos fundamentales como el ordenador que controla el conjunto de experimentos que LISA Pathfinder realizará y el subsistema de diagnósticos.
Por último, se están utilizando las mediciones de un conjunto de púlsares con periodos del orden de milisegundos para la detección de ondas gravitatorias en la banda de frecuencias muy bajas. La idea básica es que cuando las ondas gravitatorias atraviesen la región entre los púlsares y la Tierra inducirán cambios en los tiempos de llegada de los pulsos que nos informarán de su presencia. Las fuentes en esta banda incluyen los agujeros negros más masivos, con masas superiores a cientos de millones de veces la masa del Sol, y fondos de radiación gravitatoria de origen diverso.
En resumen, en los próximos años asistiremos progresivamente al establecimiento de una nueva forma de ver y entender el cosmos, la astronomía de ondas gravitatorias, gracias al comienzo de operaciones de la segunda generación de observatorios terrestres, el desarrollo de un observatorio espacial como eLISA, y la observación de alta precisión de múltiples púlsares. Siempre que una nueva ventana para explorar el universo se ha abierto nos hemos encontrado con grandes descubrimientos, muchos de ellos inesperados. En este sentido, la astronomía de ondas gravitatorias nos abre una nueva ventana de la mano de un nuevo mensajero, la gravedad, que nos augura grandes descubrimientos que pueden revolucionar nuestro conocimiento en astrofísica, cosmología y física fundamental.
— Carlos Sopuerta,
Investigador del Instituto de Ciencias del Espacio (IEEC-CSIC) y participante en la misión espacial LISA 'Pathfinder'.

por Carlos Sopuerta

Galileo, Newton, Einstein o Maxwell: analizamos el largo camino de descubrimientos que han desembocado en el hallazgo sobre el origen del universo anunciado esta semana

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Albert Einstein, a la derecha, y Niels Bohr, después de la Conferencia de Solvay, en 1930 /
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Acabamos de asistir a la presentación de los resultados del experimento BICEP2 y la onda expansiva mediática que ha generado, dada la importancia de sus consecuencias. En breve, este experimento ha conseguido medir el efecto de las ondas gravitatorias producidas prácticamente en el origen del universo (en el Big Bang) en el fondo cósmico de radiación de microondas, un fósil de las épocas primitivas del universo, en las cuales se formaron los primeros átomos y se desacoplaron la materia y la radiación. Este fondo fue detectado hace 50 años por Arno Penzias y Robert Wilson (ambos obtuvieron el Nobel de Física en el año 1978 por este hallazgo) y, desde entonces, ha sido una fuente inagotable de información sobre la historia del universo y los procesos físicos que tuvieron lugar en sus diferentes etapas.
Ahora, la colaboración BICEP2 nos proporciona la siguiente entrega, ni más ni menos que evidencia de las ondas gravitatorias generadas en el inicio del universo, proporcionando más soporte a la teoría de la inflación cosmológica, la cual nos dice que en los instantes iniciales del universo hubo una inmensa expansión del espacio en un periodo brevísimo de tiempo. Esto es fundamental para entender cómo diminutas fluctuaciones cuánticas presentes en el inicio del universo pudieron ser amplificadas para dar lugar a las semillas de las estructuras a gran escala que hoy vemos (galaxias, cúmulos de galaxias, etc). Todo esto es muy interesante pero el punto clave de las observaciones de BICEP2 es la evidencia de las ondas gravitatorias primigenias. Y la pregunta que surge de forma inmediata es qué son las ondas gravitatorias. En lo que sigue intentaré dar una respuesta a esta pregunta repasando su historia básica y mencionando el enorme potencial que tienen para proporcionarnos en el futuro cercano descubrimientos tan revolucionarios como el anunciado por BICEP2 o incluso de mayor envergadura.

La historia del Big Bang

Podríamos comenzar esta historia precisamente con el origen del estudio de otras ondas mucho más conocidas por todos, las ondas electromagnéticas. Para ello nos hemos de remontar a la época en la que James Clerk Maxwell (1831-1879) sintetizó todo el conocimiento previo sobre electricidad y magnetismo en una teoría única de la que dedujo la existencia de las ondas electromagnéticas (oscilaciones de los campos eléctricos y magnéticos que se viajan por el espacio). Fue incluso más allá concluyendo que la luz misma no es más que ondas electromagnéticas.
En 1905, Albert Einstein revolucionó la física con la publicación de la teoría especial de la relatividad, la cual resolvía las inconsistencias entre las leyes del movimiento de Galileo y Newton y el electromagnetismo de Maxwell, cambiando las nociones de las relaciones entre espacio y tiempo establecidas. Einstein se dio cuenta de que su teoría generaba, a su vez inconsistencias, con las leyes de gravedad de Newton y se lanzó a la búsqueda de una teoría que resolviese este problema. Fue un largo camino de diez años que concluyó en el 1915 con la finalización de la teoría general de la relatividad, conocida simplemente como relatividad general, un logro intelectual inmenso. La relatividad general supone un ruptura con concepto de la gravedad como fuerza, presentándola como la manifestación de la estructura geométrica del espacio y del tiempo, la cual se determina por la cantidad de masa y energía (cuya equivalencia estableció la relatividad misma) presentes. De esta forma, el Sol deforma la geometría a su alrededor de tal forma que la órbitas de los planetas no son más que las trayectorias de recorrido más corto en esa geometría.
La teoría de la relatividad general es un logro intelectual inmenso
Einstein nos proporcionó, junto con la relatividad general, tres predicciones de esta teoría: Primero, la desviación de la luz al pasar cerca de objetos masivos. Segundo, una explicación a la precesión anómala de Mercurio. Y tercero, la existencia de ondas gravitatorias. Las dos primeras fueron comprobadas hace tiempo, y en particular la primera le dio a Einstein fama mundial tras el anunció en 1919 de que las observaciones durante un eclipse solar total confirmaban la predicción. De la tercera predicción sólo tenemos evidencia indirecta ,aunque muy sólida, como veremos.

¿Qué son las ondas gravitatorias?

Las ondas gravitatorias son una consecuencia del hecho de que el espacio pase de ser un simple contenedor de los fenómenos físicos (en la física de Galileo y Newton) a convertirse en un objeto dinámico, en el sentido que su geometría cambia conforme a los movimientos y distribuciones de masas y energía. Al tiempo físico le sucede algo similar, de forma que su transcurso también depende de la distribución de masa y energía. Una consecuencia de este carácter dinámico del espacio-tiempo es que las oscilaciones de su geometría se propagan como ondas a la velocidad de la luz. Las ondas gravitatorias, al cambiar la geometría local de las regiones que atraviesan, cambian la distancia física entre objetos, siendo dicho cambio proporcional a la distancia misma y a la amplitud de la ondas.
En dos ocasiones, Einstein dijo que no existían las ondas gravitatorias
Aunque Einstein mismo las predijo e incluso describió muchas de sus propiedades, es conocido que más tarde, en dos ocasiones, declaró que no existen las ondas gravitatorias, cambiando de opinión las dos veces. Aunque actualmente no hay dudas sobre su existencia y sobre cómo se generan, el tema ha sido objeto histórico de grandes controversias teóricas y debates espinosos.
En cualquier caso, las dudas se disiparon tras el descubrimiento en 1974 del primer púlsar binario, PSR B1913+16, por Russell Hulse y Joseph Taylor (Nobel de Física en el año 1993). Los púlsares son estrellas de neutrones que emiten electromagnéticamente en la dirección del eje de su fuerte campo magnético, el cual no suele estar alineado con el eje de rotación, haciendo que los pulsares sean poderosos faros cósmicos. Los pulsos que recibimos llegan con un ritmo tan uniforme que los convierte en relojes de precisión comparable a los relojes atómicos.
El púlsar de Hulse y Taylor orbita alrededor de otra estrella de neutrones de forma que el tamaño de la órbita es suficientemente pequeño como para que estas estrellas tan compactas (¡su masa es mayor que la del Sol pero su radio es de tan sólo unos 10 kilómetros!) se muevan de forma que los efectos relativistas importen para una descripción precisa del sistema. En particular, el movimiento orbital periódico de estas estrellas de neutrones produce cambios periódicos significativos en la geometría del espacio-tiempo de su entorno, es decir, ondas gravitatorias que se llevan energía disminuyendo el tamaño y el periodo orbital. Los casi 40 años de observaciones del púlsar binario de Hulse y Taylor han permitido comprobar que la evolución de su órbita coincide con la predicha por el mecanismo de emisión de radiación gravitatoria de la relatividad general con una precisión relativa del 0,2%.
La construcción de un detector de ondas gravitatorias supone un gran reto tecnológico
La debilidad de la gravedad en relación a otras interacciones físicas implica que las ondas gravitatorias tengan una amplitud relativamente pequeñ, y que su detección sea una empresa extremadamente complicada, sólo siendo posible detectar aquellas producidas en grandes cataclismos cósmicos, como la colisión de dos estrellas de neutrones o de dos agujeros negros. Aún así, las ondas gravitatorias emitidas inducirían desplazamientos subatómicos en un detector. Por lo tanto, la construcción de un detector de ondas gravitatorias supone un gran reto tecnológico, y tal empresa no comenzó hasta los años 60, con el trabajo pionero de Joseph Weber en detectores resonantes. Los detectores actuales usan la interferometría láser, siendo la idea de funcionamiento relativamente simple: cuando una onda gravitatoria incide perpendicularmente al plano del detector produce cambios en la longitud de los brazos del interferómetro, de forma que mientras uno se acorta el otro se alarga y viceversa. Estos cambios dan lugar a interferencias de las cuales se puede inferir el patrón de las ondas gravitatorias que han atravesado el detector.
Tras décadas de desarrollo científico y tecnológico, nos encontramos ante la que promete ser la era de la astronomía de ondas gravitatorias. Para ello hay varios frentes de acción en marcha. En tierra tenemos que a finales de este año la segunda generación de detectores interferométricos terrestres comience a operar y se espera que anuncie las primeras detecciones en los próximos años. Este esfuerzo está liderado por los detectores LIGO en los Estados Unidos (de 4 kilómetros de brazo) y VIRGO en Italia con participación de varios países europeos (3 kilómetros de brazo). Japón se unirá a esta carrera con su futuro detector KAGRA (bajo tierra y con criogenia), mientras que Alemania mantiene GEO600 (600 metros de brazo), el cual ha servido de prototipo para gran parte de la tecnología involucrada en estos instrumentos.
Los detectores terrestres operan en la banda alta de frecuencias, donde serán sensibles a las ondas gravitatorias emitidas principalmente por colisiones de sistemas binarios formados por agujeros negros estelares y estrellas de neutrones; oscilaciones de estrellas de neutrones; explosiones de supernovas; y fondos cosmológicos de diverso origen. Estas observaciones revelarán información clave para entender la formación de objetos compactos estelares, la ecuación de estado de estrellas de neutrones o la validez de la relatividad general.
En los próximos años asistiremos al establecimiento de una nueva forma de ver y entender el cosmos
Por otro lado, los detectores terrestres, debido al ruido producido por gradientes en el campo gravitatorio terrestre, no pueden acceder a la banda de bajas frecuencias, la cual es de gran interés por el tipo de fuentes de ondas gravitatorias que contiene y el potencial científico de estas. Por este motivo, la Agencia Europea del Espacio (ESA) acaba recientemente de seleccionar para su futura misión L3 (clase grande) la ciencia del detector de ondas gravitatorias espacial eLISA (con un presupuesto de has ta 1.400 millones de euros y un lanzamiento previsto para 2034). Las fuentes que eLISA podrá detectar son colisiones de agujeros negros supermasivos (por encima del millón de masas solares); la captura y posterior caída orbital de objetos estelares compactos (enanas blancas, estrellas de neutrones, agujeros negros estelares) hacia agujeros negros supermasivos; sistemas estelares binarios ultracompactos en nuestra galaxia; fondos de radiación gravitatoria de origen cosmológico; etc. Con las observaciones de eLISA de este tipo de sistemas se podrán estudiar cuestiones tan importantes como el origen y crecimiento de los agujeros negros supermasivos, así como su conexión con los procesos de formación y evolución galáctica; entender la dinámica estelar en núcleos galácticos; comprobar si los agujeros negros son como los describe la relatividad general y poner a prueba teorías alternativas a la relatividad general.

Misión de la ESA

El próximo año asistiremos al lanzamiento de la misión LISA Pathfinder de la ESA, la cual se encargará de demostrar la tecnología principal de eLISA, con participación destacada del Instituto de Ciencias del Espacio (CSIC-IEEC), que contribuye a la misión con instrumentos fundamentales como el ordenador que controla el conjunto de experimentos que LISA Pathfinder realizará y el subsistema de diagnósticos.
Por último, se están utilizando las mediciones de un conjunto de púlsares con periodos del orden de milisegundos para la detección de ondas gravitatorias en la banda de frecuencias muy bajas. La idea básica es que cuando las ondas gravitatorias atraviesen la región entre los púlsares y la Tierra inducirán cambios en los tiempos de llegada de los pulsos que nos informarán de su presencia. Las fuentes en esta banda incluyen los agujeros negros más masivos, con masas superiores a cientos de millones de veces la masa del Sol, y fondos de radiación gravitatoria de origen diverso.
En resumen, en los próximos años asistiremos progresivamente al establecimiento de una nueva forma de ver y entender el cosmos, la astronomía de ondas gravitatorias, gracias al comienzo de operaciones de la segunda generación de observatorios terrestres, el desarrollo de un observatorio espacial como eLISA, y la observación de alta precisión de múltiples púlsares. Siempre que una nueva ventana para explorar el universo se ha abierto nos hemos encontrado con grandes descubrimientos, muchos de ellos inesperados. En este sentido, la astronomía de ondas gravitatorias nos abre una nueva ventana de la mano de un nuevo mensajero, la gravedad, que nos augura grandes descubrimientos que pueden revolucionar nuestro conocimiento en astrofísica, cosmología y física fundamental.
— Carlos Sopuerta,
Investigador del Instituto de Ciencias del Espacio (IEEC-CSIC) y participante en la misión espacial LISA 'Pathfinder'

Fuente: http://esmateria.com/2014/03/22/las-ondas-gravitatorias-el-sonido-del-espacio-tiempo/
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  • BICEP2 http://www.cfa.harvard.edu/CMB/bicep2/ 
  • John M. Kovac, Associate Professor of Astronomy and Physics http://astronomy.fas.harvard.edu/people/john-m-kovac