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Un nuevo proyecto buscará encontrar ondas gravitatorias en 2017

ondas gravitatorias

La gravedad tiene un poder de largo alcance que se hace evidente a través de la deformación de la curvatura del espacio y el tiempo, tal y como lo predigo Albert Einstein en su Teoría General de la Relatividad. Eventos cosmológicos extremos como el surgimiento de las estrellas de neutrones o de los agujeros negros son capaces de producir ondas de gravedad, las cuales son extremadamente débiles para ser detectadas a través de los instrumentos actuales.

Así, para el astrónomo del Instituto Carnegie, Mani Kasliwal, en los próximos cinco años los instrumentos de detección sí serán capaces de probar que el espacio y el tiempo se arruga y deforma en forma de ondas gravitatorias, las cuales fueron predichas hace casi 100 años por Albert Einstein, pero que aún no han sido observadas directamente.

Pero esto podría cambiar pronto cuando se pongan en marcha los instrumentos más sensibles de detección. “Hay mucha actividad y emoción en el campo de la gravedad ahora mismo”, afirmó Kasliwal. “El momento realmente se está construyendo ahora”.

Para medir la presencia de una pequeña señal de ondas de gravedad se requiere de un detector interferométrico que sea capaz de medir una parte en 1021 (esto significa una millonésima parte de un nanómetro en un kilómetro de longitud). Estos eventos gravitatorios son muy raros y ocurren una vez cada 10,000 años por galaxia.

Una versión avanzada de un detector así ha sido diseñado para encontrar ondas de gravedad de forma periódica (aproximadamente cientos de eventos anualmente). Esto comenzará a partir de 2017.

Pero este heroico experimento será en cierto modo desilusionaste ya que los interferómetros gravitatorios solamente serán capaces de “escuchar” el paso de las ondas y detectar si algo pasa, pero serán completamente “ciegos” en lo que respecta al hecho de observar la fuente de su origen. Para localizar el origen de dichas ondas será necesaria la colaboración entre físicos y la comunidad astronómica, quienes realizarán frecuentes simulaciones alrededor del mundo con interferómetros ultra sensibles, que son artefactos muy grandes en forma de L que funcionan midiendo el tiempo que tarda un fotón (producido por un láser), en llegar de un lugar a otro del aparato. Los astrofísicos esperan que recabando información de varios lugares, los investigadores serán capaces de determinar la dirección desde donde las ondas han viajado y quizá saber de dónde provienen.

Kasliwal ha reportado que el nuevo inteferómetro estará en funcionamiento en 2017.

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Traducido y editado por Julio García.

Referencia: Daily Galaxy.

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Un sistema de dos estrellas confirma que la Teoría de la Relatividad sigue siendo válida

Sistema Binario

Representación artística del sistema binario descubierto a 7,000 años luz de la Tierra, que está formado por una estrella de neutrones (el círculo más grande) y enana blanca (el círculo más pequeño) Ambas estrellas, y por los efectos de la gravedad, producen la curvatura del espacio-tiempo (representada en color verde). /Crédito: Science World Report.

Un sistema binario, formado por una estrella de neutrones y una enana blanca, ha permitido a los científicos poner a prueba la Teoría General de la Relatividad.

Los dos astros se encuentran a 7,000 años luz de la Tierra y giran muy cerca el uno del otro a una velocidad de dos horas y media.

Respecto al pulsar podemos decir que es una estrella de neutrones que tiene dos veces la masa del Sol, pero cuya fuerza de gravedad es 300 mil millones de veces más poderosa que la que produce la Tierra,  mientras que la enana blanca es una estrella muy densa, que está muriendo.

Ambos objetos fueron descubiertos recientemente por el Telescopio de Green Bank de la Fundación Nacional para la Ciencia de Estados Unidos y de ellos se han podido realizar observaciones tanto en ondas de radio como en luz visible.

En este tipo de sistemas estelares las órbitas comienzan a decaer conforme pasa el tiempo —ambos objetos se acercan el uno al otro— generando poderosas ondas de gravedad, las cuales llevan la energía que ha sido producida por el acercamiento entre ambos objetos.

Y midiendo con mucha precisión el tiempo que tardan en llegar los pulsos de radio que emite el pulsar, los astrónomos son capaces de determinar la cantidad de radiación gravitacional que se produce.

“La presencia de este par de estrellas, que hasta ahora nos resultaban tan inusuales, resulta de sumo interés porque nos sirve como laboratorio para probar los límites de una de las teorías más importantes de la física: la Teoría General de la Relatividad de Einstein”, afirmó el profesor de la Universidad de Toronto, Marten van Kerwijk, y quien es de los miembros del equipo de investigación.

La Teoría General de la Relatividad afirma que la gravedad es consecuencia de la curvatura del espacio-tiempo que, a su vez, se produce por la presencia de masa y materia. Cuando dos cuerpos tienen mucha masa, y cuando son tan masivos y se encuentran tan cerca el uno del otro, pueden llegar a provocar `arrugas´  en la curvatura espacio-temporal.

El resultado de esta atracción gravitatoria entre dos objetos se traduce en pérdida de energía, en un movimiento cada vez más lento de las estrellas y la reducción del periodo orbital entre ellas. Esto ya había sido predicho por Albert Einstein.

Además, el estudio de este peculiar sistema otorga más confianza a los científicos para poder afirmar que la teoría del genial físico alemán es una muy buena descripción de la naturaleza. Sin embargo, y como dice Marten van Kerwijk, “la Relatividad aún no es una teoría completa porque presenta inconsistencias cuando se contrasta con la mecánica cuántica”.

El estudio completo ha aparecido publicado en la revista Science y, desde el siguiente enlace, se puede ver un resumen en inglés: http://www.sciencemag.org/content/340/6131/1233232

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Traducido y editado por Julio García.

Referencias: 

1. UPL.COM

2. Science World Report.

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Nuevo experimento ayuda a resolver algunos misterios de la mecánica cuántica

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¿De qué está hecha la luz? ¿De partículas o de ondas? Esta pregunta básica ha fascinado a los físicos desde los primeros días en que nació la ciencia. La mecánica cuántica predice que los fotones, partículas de luz, son simultáneamente partículas y ondas. Pero una nueva investigación publicada en la revista Science, y llevada a cabo por físico de la Universidad de Bristol, plantea una nueva hipótesis para comprender el mundo cuántico a través un novedoso experimento.

La historia de la ciencia ha estado marcada por un intenso debate entre quienes defienden que la luz se comporta como partícula y quienes la definen solamente como una onda. Isaac Newton fue un defensor acérrimo de la teoría de partículas, mientras que James Clerk Maxwell (quien propuso su exitosa teoría del electromagnetismo) respaldó la teoría de ondas. Sin embargo, las cosas cambiaron dramáticamente en 1905 cuando Albert Einstein mostró que era posible explicar el efecto fotoeléctrico (que se había mantenido en un completo misterio hasta entonces), utilizando la idea de que la luz está hecha por partículas: los fotones. Este descubrimiento tuvo un impacto inmenso en la física, que contribuyó de forma determinante en el desarrollo de la mecánica cuántica: la teoría científica más precisa.

A pesar de su éxito, la mecánica cuántica presenta un inmenso reto para nuestra intuición. De hecho, la teoría predice con una asombrosa precisión el comportamiento de objetos pequeños como átomos y fotones. Sin embargo, cuando realizamos un acercamiento a estas predicciones, estamos forzados a admitir que son tremendamente contra-intuitivas. Por ejemplo, la teoría cuántica predice que una partícula (como puede ser un fotón), puede estar en diferentes lugares al mismo tiempo. De hecho, puede estar en infinito número de lugares, exactamente como una onda. De ahí la idea de que la dualidad onda-partícula sea fundamental para todos los sistemas cuánticos.

De manera sorprendente, cuando un fotón es observado, se comporta al mismo tiempo tanto como onda o como partícula: ambos aspectos nunca han sido observados simultáneamente. De hecho, el tipo de comportamiento exhibido depende del tipo de mediciones que se realicen. Éste asombros fenómeno ha sido experimentalmente investigado en los últimos años, utilizando aparatos de medición que pueden ser cambiados para medir partículas u ondas, pero nunca se había logrado hacerlo al mismo tiempo.

Con el nuevo trabajo presentado en Science por físicos de la Universidad de Bristol, las ideas pueden dar un giro de 180 grados, ya que han logrado construir y poner en funcionamiento un novedoso aparato de medición que es capaz de determinar con precisión el comportamiento onda-partícula simultáneamente, algo que, como hemos dicho, no se había logrado hasta ahora. Este nuevo aparato está alimentado por la no-localidad que es otro efecto contra-intuitivo de la mecánica cuántica.

Para el doctor Alberto Peruzzo, uno de investigadores, “las medidas de nuestro aparato en nuestro experimento detectaron una fuerte no-localidad que certificó que el fotón se comportó simultáneamente como onda y partícula, lo que representa una fuerte refutación de los modelos en los cuales el fotón es solamente una partícula o una onda”.

Por su parte, el profesor Jeremy O´Brien, director del Centro de Fotónica Cuántica de la Universidad de Bristol, comentó que “para llevar a acabo esta investigación, utilizamos un chip basado en fotónica cuántica, que es una nueva tecnología desarrollada en Bristol que también se está utilizando para desarrollar las primeras computador cuánticas y para realizar estudios más sofisticados y profundos de los aspecto fundamentales de los fenómenos cuánticos”.

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Traducido y editado por Julio García.

Referencia: Phys.org

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Noticias relacionadas: 

La función de onda de la mecánica cuántica es un estado real, afirma estudio.

 

 

Proponen nueva teoría sobre el origen de la materia y la energía oscura

Un par de matemáticos -uno de la Universidad de Indiana en Estados Unidos y el otro de la Universidad de Sichuan en China- han propuesto una teoría unificada de la materia y la energía oscura que altera las ecuaciones de Albert Einstein que describen los fundamentos de la gravedad.

“Creemos que una nueva teoría de la gravedad cambiará nuestra visión de la energía, las interacciones gravitacionales, la estructura y la formación del universo”, afirmó Shouhong Wang, profesor de matemáticas en la Universidad de Indiana.

Wang, junto con Tian Ma (profesor de la Universidad Sichuan) sugieren que la ley de la energía y la conservación del momento en el espacio-tiempo es solamente válida cuando la materia normal, la materia oscura y la energía oscura son tomadas en cuenta. Pero, para la materia normal u ordinaria solamente, el momento y la energía ya no se conservan, arguyen.

Mientras que siguen utilizando la métrica del espacio-tiempo curvo que Einstein utilizó en sus ecuaciones, los investigadores argumentan que para explicar la presencia de materia y energía oscura, se requiere de un nuevo conjunto de ecuaciones que tome en cuenta un nuevo tipo de energía causada por la no uniformidad que presenta la distribución de la materia en el universo. Esta nueva energía puede ser tanto positiva como negativa, afirmó Wang.

La curvatura del espacio-tiempo, junto con nuevo campo escalar representando la nueva densidad de energía, y la interacción entre la curvatura y este nuevo campo escalar, formarán la base de las nuevas ecuaciones del campo gravitatorio.

“Mucha gente ha propuesto teorías sobre el origen de la energía oscura, pero desafortunadamente el misterio continúa y, de hecho, la naturaleza de la energía oscura es ahora, quizá, el misterio más profundo en cosmología y astrofísica. Es considerado como el más destacado de los problemas en física teórica”, dijo Wang.

El otro gran misterio concerniente a nuestro universo es que contiene mucho más materia de la que puede ser contabilizada con la presencia de las estrellas visibles. Esta materia “perdida” es la materia oscura, y a pesar de los muchos intentos por detectarla, el misterio prevalece y se profundiza.

Por otro lado, cuando Einstein desarrolló su teoría de la relatividad, tanto la materia oscura como la energía oscura no habían sido descubiertas todavía, por lo que para él fue natural comenzar su teoría utilizando la ley de conservación de la energía y el momento de la materia ordinaria. La diferencia entre la nueva ecuación de campo que se propone con las ecuaciones de Einstein es la adición de una covariante derivativa de segundo orden de un campo potencial escalar.

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Traducido y editado por Julio García. 

Fuente: Daily Galaxy

Los pulsares podrían servir para detectar ondas gravitatorias

Un equipo conformado por astrónomos que trabajan con ondas de radio y otro que lo hace con rayos gamma, han logrado producir un gran avance al haber encontrado herramientas naturales de origen cósmico para realizar detecciones de las elusivas ondas gravitacionales que fueron predichas hace casi un siglo por Albert Einstein.

La detección de este tipo de ondas elusivas podría lograrse gracias a la utilización de un telescopio de rayos gamma que se encuentra en órbita y que ha sido apuntado hacia pulsares que emiten ondas de radio durante intervalos de tiempo que duran milisegundos.

Los pulsares de milisegundo, que son estrellas de neutrones superdensas que giran rápidamente, pueden servir como relojes naturales debido a su exactitud y estabilidad. Los astrónomos esperan detectar ondas gravitacionales a través de la medición de pequeñas variaciones en la rotación del pulsar, causadas por el paso de estas ondas. Para hacer esto, necesitan una multitud de pulsares de milisegundo dispersos por el universo.

Ilustración artística de un pulsar en movimiento /Imagen: http://www.ceti.cl

Sin embargo, cerca de tres décadas después del descubrimiento del primer pulsar de milisegundo, solamente 150 de ellos han sido encontrados; 90 de estos 150 residen en cúmulos globulares de estrellas, lo que los hace inutilizables para buscar  ondas gravitacionales. Y el problema fundamental para encontrar pulsares de milisegundo es que solamente pueden ser descubiertos a través de un arduo y largo proceso de búsqueda por computadora.

“Probablemente hemos encontrado apenas menos del 1% de los pulsares que existen en la Vía Láctea”, afirmó Scott Ransom del Observatorio Nacional de Astronomía.

El avance se produjo cuando, un instrumento a bordo del Telescopio Fermi de Rayos Gamma de la NASA, comenzó a rastrear el cielo en 2008 y pudo localizar cientos de objetos que emiten rayos gamma y fue entonces cuando los astrónomos sospecharon que podría tratarse de pulsares de milisegundo. Por su parte, Paul Ray, del Laboratorio Naval de Investigación de Estados Unidos, comenzó una colaboración internacional para utilizar radiotelescopios con la finalidad de confirmar la identidad de estos objetos.

“Utilizando nuestros radiotelescopios para estudiar los objetos localizados por el Telescopio Fermi, encontramos 17 pulsares de milisegundo en tan solo tres meses. Las búsquedas a gran escala que se realizaron en el pasado ocuparon de 10 a 15 años para localizar la misma cantidad”.

Albert Einstein fue el primero en predecir la existencia de las ondas gravitatorias a través de su Teoría General de la Relatividad, postulada en 1915.

“Esta es una inmensa ayuda en nuestro esfuerzo para utilizar pulsares de milisegundo en la búsqueda de las ondas gravitacionales”, afirmó Scott Ransom. Y es que, en la medida en que se localicen más de estos pulsares, las probabilidades de encontrar ondas gravitatorias crecen.

Los pulsares son estrellas de neutrones, y su densa corona se desprende después de que una estrella masiva explota como supernova. Del tamaño de una ciudad de medianas dimensiones, este tipo de astros producen campos magnéticos muy fuertes. Campos magnéticos que, a su vez, producen ondas de radio que barren el espacio mientras la estrella rota. Cuando una de estas potentes ondas de radio choca con la Tierra, los radiotescopios son capaces de detectarla

Y, conforme los pulsares se van haciendo cada vez más viejos, disminuyen su velocidad de rotación. Sin embargo, si un pulsar forma parte de un sistema binario, y puede alimentarse del material de la estrella que le hace compañía, entonces su velocidad de rotación puede aumentar. Y cuando una estrella de neutrones se ha acelerado tanto que gira cientos de veces por segundo, entonces se le llama pulsar milisegundo.

Hay que mencionar también que, el estudio de este tipo de pulsares, no solamente trae beneficios para la detección de ondas gravitatorias, sino que también podría proporcionarnos información importante sobre otro tipo de efectos de la Teoría General de la Relatividad y de los fundamentos de la física de partículas.

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Traducido y editado por JULIO GARCÍA.

Fuente: Science Daily