Grabitazio uhin

Fisikan, uhin grabitatorio bat azeleraturiko masa handiko objektu batek sortutako Espazio-denboraren perturbazio bat da. Uhin hauen existentzia, non perturbazio grabitatorioa espazio denboran argiaren abiaduran transmititzen den, Einsteinen Erlatibitate orokorraren teorian aurresan zen^[1]^[2].

Uhin hauek lehen aldiz ikusi ziren 2015eko irailaren 14an, eta hau ikusi zuten zientzialariek LIGO eta Virgo experimentuetan lanean ari ziren, eta 2016ko otsailaren 11an, emaitzen analisi sakonaren ondorioz eta Einsteinek lehen aldiz aurresan eta ehun urte geroago, publiko egin zuten aurkikuntza^[3]. Uhin hauek aurkitzeak Erlatibitate orokorraren baieztapena izan ziren.

Hauek aurkitu aurretik zeharkako probak besterik ez zeuden, haien artean pulsar bitar baten periodoan aztertutako beherakada^[4]. 2014ko martxoan BICEP2 experimentuak iragarri zuen mikrouhinen Hondo kosmikoaren polarizazioan aurkitutako B-moduak^[5]. Ikerkuntza hauek, PLANCK teleskopioarenarekin alderatuz, agerian utzi zuten BICEP-2-ren emaitzak hauts kosmikoaren interferentziaren ondorioz izan litezkeela, beraz alde batera utzi izan ziren^[6].

Uhin grabitazionalak espazio denboraren ondorioz sortutako fluktuazioak dira, non hauek uhin modura argiaren abiaduran barreiatzen diren. Erradiazio grabitatorioa beraien artean grabitatzen ari diren objetuen artean sortutako uhinen ondorioz sortzen da.

Aurrekari teorikoak

Erlatibitate orokorra grabitazioaren teorietako bat da, erlatibitate bereziarekin bateragarria dena alderdi askotan, besteak beste, ados dago Argiaren abiaduran baino azkarrago ezin dela bidaitu adierazpenarekin. Honek esan nahi du eremu grabitatorioko aldaketak ezin direla toki guztietan aldiberean gertatu: barreiatu behar dira. Erlatibitate orokorrean uhin elektromagnetikoetan bezala barreiatzen dira hutsean, hau da, argiaren abiaduran. Barreiatze diren aldaketa hauei uhin grabitatorio deritze.

Erradiazio grabitatorioa erlatibitate orokorraren aurresan printzipalenetariokoa da eta bere detekzioa teoriaren osotasunaren proba da. Hala ere, etorkizunean gehien bat behaketarako instrumentutzat erabili izan daiteke. Hulse-Taylor pulsar bitarraren behaketek Erlatibitate orokorreko erradiazio grabitatorioaren kuantizazio zuzenaren frogak eman zituen. Hala ere, astronomiak duen informazioa erradiazio iturrien gainean oso mugatua da.

Uhin elektromagnetikoen banda berri bat ikerkuntza astronomikora irekitzen zen bakoitzean fenomeno berri eta ustekabeko ugari aurkitu izan dira, eta badirudi hau gertatzen jarraituko dela behatoki berrien irekieraren ondorioz, bate ere uhin hauek erradiazio elektromagnetikoko uhinek ez daramaten informazioa barreiatzen baitutelako. Uhin grabitatorioak masen mugimenduaren ondorioz sortzen dira, beraz masen eta abiadruen distribuzioa kodifikatzen dute. Koherenteak dira eta haien frekuentzia baxuek iturrien denbora dinamikoak isaltzen dituzte.

Adituen aburuz, 2016an argira emandako uhinak bi zulo beltzen arteko talkaren ondorioa dira, bata 29 eguzki masakoa eta bestea 36 eguzki masakoa^[7]. Bien artean 62 eguzki masako zulo beltza eratu zuten. Gertakizun hau LIGO-ren bidez "entzun" ahal izan zen, eta hainbat hilabeteetako analisiaren ondorioz, ziurtasun handiarekin berretsi ahal izan zen uhin grabitatorioak zirela^[7]. Orain arte, espazioko objektuak uhin elektromagnetikoen bidez aztertu ahal izan dira, hau da, hauek igortzen zuten erradiazio elektromagnetikoaren bidez. Hala ere, objetku hauek ere detektatu diren perturbazioen ondorioz sortutako uhinak ere igortzen dituzte, beraz orain ikerlariek uhinak "ikusi" eta "entzun" ditzakete, bai uhin elektromagnetikoen bidez baita uhin grabitatorioen bidez ere^[7]. Aipatutako argitalpenenan, zientzialarien aburuz aurkikuntza honen ondorioz astronomiaren garai berri batean sartzen gara, izan ere, tresna honek unibertsoaren azterpenean ez da bakarrik espektroa handitzea izango, baizik eta espektro berri bat. Uhin elektromagnetikoekin unibertsoak jadanik 300 000 urte zitueneko informazioa lor dezakegu asko jota, baina uhin grabitatorioekin unibertsoak segundi bat besterik ez zueneko informaziora ailegatu gaitezke^[7].

Uhin grabitatorioekin berdintasun eta desberdintasunak

Uhin elektromagnetikoak mugimendu konplexuak egiten dituzten elektroi indibidualen bidez sortzen dira. Inkoherenteak dira eta fotoi indibidualak emititzen diren fotoien multzo estatistikoaren lagintzat interpretatu behar dira. Hauen frekuentziak mikrofisikaren bidez neurtzen dira. Behaketa elektromagnetikoen bidez, iturrian modelazio bat eginez inferentziak eragin ditzakegu estruktura honetan. Izan ere, uhin grabitatorioak iturriaren estrukturarekin eta mugimenduarekin zuzenean konektaturiko informazioa daramate.

Honen adibide esanguratsua nukleo galaktikoetako zulo beltz masiboak dira. Espektro elektromagnetiko osoan zehar egindako behaketen ondorioz, astrofisikariak mila milloiko eguzki masadun zulo beltzak quasarren emisioen arduradunak direla diote. Zulo beltz baten nabaritasuna zeharkakoa da: ez dago beste objekturik halako masa handi bat izan ahal duenik bolumen hain txiki batean. Uhin grabitatorioen behaketaren bidez zulo beltzen dinamika ezagutzea eta hauen masak eta frekuentzia bibrakorrak neurtzea posible izango litzake. Hori dela eta, agerikoa da uhin grabitatorioen eta uhin elektromagnetikoen behaketak astronomiara ekar ditzaken abantailak.

Polarizazioari dagokionean, uhin elektromagnetikoak ez bezala, uhin grabitatorioak, Einsteinen Erlatibitate Orokorraren Teorian, bi polarizazio mota izan ditzakete soilik: plus polarizazioa eta polarizazio gurutzatua, eta bien arteko angelua $\pi /4$ -koa izango da^[8].

Grabitazio-uhinak igortzen dituzten objektuak

Uhin hauentzako iragarritako amplitudea eta efektu behagarriak oso ahulak dira, ondorioz beren zuzenezko detekzioa oso zaila da. Izan ere, amplitudearen kasuan, beste iturrietatik igorritako zaratarekin alderatuz askoz ere txikiako da. Oraingoz unibertsoko fenomeno bortitzenek bakarrik sor ditzakete guk detektatu ahal izango ditugun uhin grabitazionalak.

Era zuzenean detektagarriak izan daitezken uhinen iturriak azelerazio handira mugitzen diren objetu oso masiboak edota homogeneoak ez diren eta abiadura handian biratzen ari diren objektuak dira. Besteak beste hurrengo feomenoetan ematen dira:

Supernoba baten leherketa
Zulo beltz baten sorkuntza
Neutroien izar edota zulo beltzen koalezentzia bezalako objektu masiboen talka
Heterogeneoa den neutroi izar baten errotazioa
Big Bang-aren erradiazio hondarra. Azken honek unibertsoaren formakuntzaren informazioa eman diezaiguke, izan ere garai ilunari buruzko informazioa ezin dugu jakin uhin elektromagnetikoen bitartez.

Masa duen eta azelerazioan dagoen edozein objektuk igortzen ditu uhin grabitatorioak, gure makinen zehaztasunaren baitan egongo da hauek detektatzea eta kuantifikatzean. Oraingoz energia handiko gertakizunetan besterik ez ditugu antzeman.

Froga esperimentalak

Uhin grabitatorioen detekzioaren ikerketa 1960-ko hamarkadan hasi zen, Marylandeko Unibertsitatean. Bertan lehen barra detektagailua eraiki zen: giro tenperaturan ( $300K$ ) aluminiozko zilindro masibo bat ( $2\cdot 10^{3}kg$ ), $1600Hz$ -ko erresonantzia frekuentzia zuena. Lehen prototipo honek $10^{-13}$ edo $10^{-14}$ -ko sentsibilitate moderatua zuen.

Sentsibilitate baxu honez gain, 1960-ko hamarkadaren bukaeran, J. Webber zientzialariak bi antzeko barren artean detektatutako gertakizun multzoaren berri eman zuen. Berri honen ondorioz, munduko beste lekutako hainbat taldek (Glasgow, Munich, Paris, Erroma, Bell Laborategiak, Stanford, Rochester, LSU, MIT, Beijin eta Tokio) barra detektagailuak eraiki eta garatu zituzten, Webberen emaitzak egiaztatzeko. Zoritxarrez, Webberrek egindako neurketak ez ziren inoiz berriz lortu. Izan ere, egiaztatze falta ez zuen frogatzen uhin grabitatorioak existitzen ez zirenik, kalkulu teorikoek seinaleak detektagailu hauekin neurtzeko ahulegiak izango zirela adierazten baitzuten.

1980 urtetik 1994 urterarte detektagailuen garapena bi bide hartu zituen nagusiki:

Barra detektagailu kriogenikoak, batez ere Erroman, Standforden, LSUn eta Australian garatutakoak. Klase honetako detektagailurik hoberena $10^{-19}$ -ko sentsibilitatea lortu dezake.
Interferometroak, MITen, Garchingen, Glasgowen, Caltechen eta Tokion garatutakoak. Detektagailu hauen sentsibilitatea $10^{-18}$ ordenekoa zen. 1989. urtean Glasgow/Garching-en esperimentua, detektagailu hauekin egindako lehenengoa izan zen.

Azken hau, uhin grabitatorioen existentziaren frogapena kontsideratzen da. Arrazoi honengatik, eta Taylorrek Fisikako Nobel Saria irabazi zuten, 1993. urtean. Beranduago 2005. urtean, bigarren pulsar bitar bat (PSR J0737-3039) aurkitu zen. Pulsar honen portaerak erlatibitate orokorreko uhin grabitatorioetan energia emititzeko era egiaztatu zuen.

2004ko martxoan, Harvard-Smithsoniano Astrofisika Zentruko astronomoek unibertsoaren inflazioan zehar uhin grabitatorioen lehen detekzioaren berri eman zuten. Aurkikuntzak Hego Poloan dagoen BICEP2 izeneko teleskopio baten bidez eman ziren, 2006. urtean mikrouhinen hondo kosmikoaren polarizazioaren ikerketa batean. Izan ere, zenbait taldek hainbat aparatu esperimentalen presentziak behaketei eragin ziezaketela adierazi zuten^[9].

2016ko urtarrilaren 11an, uhin grabitazionalak modu zuzenean detektatu zirelaren zurrumurrua zabaldu zen, LIGO-k egindakoa. Hilabete baten ondoren, otsailak 11, LIGO-ko ikerlariek zurrumurru horiek berretsi zituzten. Uhin grabitazional hauekn lehen aldiz 2015eko irailaren 14an ikusi ziren, LIGO-ren bi detektatzaileen bidez, hurrengo izena emanez: GW150914. Uhin honen iturria bi zulo beltzek osatutako sistema bitarraren kolapsoaren ondorioz sortu zen, duela 1300 milioiko gertaketa bat. Beste detekzioekin alderatu, hau era zuzenean lortutako lehena izan zen^[10].

Uhin-grabitatorioen behatokiak

Gaur egun uhin grabitazionalen behaketarako hainbat behatoki daude, besteak beste: LIGO (Estatu Batuak), TAMA300 (Japonia), GEO 600 (Alemania eta Erresuma Batua) edota Virgo (Frantzia eta Italia).

LISA espazioko misioa da, oraindik azterketa fasean dago. Helburua espazioan uhin grabitazionalak detektatzeko sortuko den lehen behatokia izatea da, eta aurten operatiboa egotea espero da. Antzeko behatoki bat sortzea Japoniaren ideietako bat da, DECIGO, 2027. urterako egina egon litekeena.

Erreferentziak

↑ (Gaztelaniaz) Fernández Barbón, J.L.. (2016ko otsailaren 13a). “Una nueva astronomía ha nacido hoy”. El País, https://elpais.com/elpais/2016/02/11/ciencia/1455218258_488841.html or..
↑ (Gaztelaniaz) La detección de las ondas gravitatorias, el Santo Grial de la física. Afp, http://www.jornada.unam.mx/ultimas/2016/02/09/la-deteccion-de-las-ondas-gravitacionales-el-santo-grial-de-la-fisica-7637.html or..
↑ (Ingelesez) «Gravitational Waves Detected 100 Years After Einstein's Prediction». , http://www.ligo.org/news/detection-press-release.pdf or..
↑ (Ingelesez) «A new test of general relativity - Gravitational radiation and the binary pulsar PSR 1913+16». Astrophysical Journal, https://dx.doi.org/10.1086%2F159690 or..
↑ (Ingelesez) “BICEP2 I: Detection Of B-mode Polarization at Degree Angular Scales”. Phys Rev Lett 112, http://arxiv.org/abs/1403.3985 or..
↑ (Ingelesez) Nature, http://www.nature.com/news/gravitational-waves-discovery-now-officially-dead-1.16830 or..
↑ ^a ^b ^c ^d (Gaztelaniaz) "Por qué es tan importante que se haya comprobado la predicción de Albert Einstein sobre las ondas gravitacionales". BBC Mundo, https://www.bbc.com/mundo/noticias/2016/02/160211_ciencia_ondas_gravitacionales_relatividad_einstein_gtg or..
↑ (Ingelesez) "Physics, Astrophysics and Cosmology with Gravitational Waves". Living Rev. Relativity 2009, http://arxiv.org/pdf/0903.0338v1.pdf or..
↑ (Ingelesez) «No evidence for or against gravitational waves». Nature, http://www.nature.com/news/no-evidence-for-or-against-gravitational-waves-1.15322 or..
↑ (Ingelesez) «LIGO Detected Gravitational Waves from Black Holes». , https://www.ligo.caltech.edu/detection or..

Kanpo estekak

Datuak: Q190035
Multimedia: Gravitational waves / Q190035

[1] (Gaztelaniaz) Fernández Barbón, J.L.. (2016ko otsailaren 13a). “Una nueva astronomía ha nacido hoy”. El País, https://elpais.com/elpais/2016/02/11/ciencia/1455218258_488841.html or..

[2] (Gaztelaniaz) La detección de las ondas gravitatorias, el Santo Grial de la física. Afp, http://www.jornada.unam.mx/ultimas/2016/02/09/la-deteccion-de-las-ondas-gravitacionales-el-santo-grial-de-la-fisica-7637.html or..

[3] (Ingelesez) «Gravitational Waves Detected 100 Years After Einstein's Prediction». , http://www.ligo.org/news/detection-press-release.pdf or..

[4] (Ingelesez) «A new test of general relativity - Gravitational radiation and the binary pulsar PSR 1913+16». Astrophysical Journal, https://dx.doi.org/10.1086%2F159690 or..

[5] (Ingelesez) “BICEP2 I: Detection Of B-mode Polarization at Degree Angular Scales”. Phys Rev Lett 112, http://arxiv.org/abs/1403.3985 or..

[6] (Ingelesez) Nature, http://www.nature.com/news/gravitational-waves-discovery-now-officially-dead-1.16830 or..

[:0-7] (Gaztelaniaz) "Por qué es tan importante que se haya comprobado la predicción de Albert Einstein sobre las ondas gravitacionales". BBC Mundo, https://www.bbc.com/mundo/noticias/2016/02/160211_ciencia_ondas_gravitacionales_relatividad_einstein_gtg or..

[8] (Ingelesez) "Physics, Astrophysics and Cosmology with Gravitational Waves". Living Rev. Relativity 2009, http://arxiv.org/pdf/0903.0338v1.pdf or..

[9] (Ingelesez) «No evidence for or against gravitational waves». Nature, http://www.nature.com/news/no-evidence-for-or-against-gravitational-waves-1.15322 or..

[10] (Ingelesez) «LIGO Detected Gravitational Waves from Black Holes». , https://www.ligo.caltech.edu/detection or..

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]