Ondas electromagnéticas

En 1886, el físico alemán Heinrich Hertz puso a prueba la teoría creada por un físico teórico escocés llamado James Clerk Maxwell en 1865. Maxwel se dio cuenta que todos los fenómenos eléctricos (rayos en una tormenta eléctrica, la corriente en un cable o las pequeñas descargas que se general al quitarse un sweater) podrían relacionarse con los fenómenos magnéticos conocidos (imanes, movimiento de brújulas). Maxwell unificó la electricidad y el magnetismo en su teoría electromagnética, lo que permite entender fenómenos eléctricos y magnéticos como dos manifestaciones de un mismo fenómeno. Posteriormente esta teoría fue escrita en lenguaje moderno como una teoría cuántica que hoy llamamos electrodinámica cuántica (pero esa es otra historia). La teoría de Maxwell consiste en un set de cuatro ecuaciones que permiten describir cualquier fenómeno eléctrico y magnético (además de usarse para un clásico chiste, adornar autos eléctricos y hacer sufrir a todo estudiante de física por varios años!) Una de las predicciones de las ecuaciones de Maxwell es que el movimiento de partículas cargadas eléctricamente debería generar ondas, de la misma manera que la caída de una hoja en una posa de agua generará ondas en la superficie que se propagan en todas direcciones. La historia se parece a la de Peter Higgs (también escocés) postulando una idea para resolver un problema haciendo una predicción que permitiría testear la validez de la nueva idea en experimentos (en el caso de Higgs es el famoso bosón que parece haber sido descubierto en el CERN). Al contrario de Higgs, Maxwell no alcanzó a ver la confirmación de su predicción (murió en 1879), lograda por Hertz siete años más tarde. Hertz demostró que Maxwell tenía razón al proponer que campos eléctricos y magnéticos se propagan como ondas que se mueven a la velocidad de la luz. Hertz también nos enseñó que sólo basta tomar una partícula cargada (como un electrón) y agitarla para generar estas ondas electromagnéticas (tal como señalan las ecuaciones de Maxwel). Gracias a la teoría de Maxwell y los experimentos de Hertz ahora entendemos que la luz es un tipo particular de onda electromagnética, de la misma forma ondas de radio, microondas, rayos X, infrarojos y ultravioleta también son ondas electromagnéticas. La única diferencia entre estos tipos de ondas es el número de vibraciones por segundo, lo que en física se llama frecuencia (número de oscilaciones por segundo) y la unidad de frecuencia es el hertz (Hz) en honor a Heinrich. Es por eso que cada estación de radio se identifica con una determinada frecuencia en el dial, típicamente varios millones de hertz o megahertz denotado MHz (mega significa 1 millón). Ondas de mayor frecuencias son también ondas con más energía y los físicos han clasificado las ondas de acuerdo a su frecuencia ya que eso permite estimar su energía. Las ondas de radio son las menos energéticas y al otro lado del llamado espectro electromagnético se ubican los peligrosos rayos gamma (producidos por ejemplo en explosiones nucleares).

Se llama espectro electromagnético a los diferentes tipos de ondas clasificadas de acuerdo a su frecuencia (o energía).

La figura del espectro electromagnético muestra los nombres de los diferentes tipos de radiación y es posible notar una pequeña banda cerca del centro que corresponde a la luz visible. Esta es la única región que los humanos podemos ver con nuestros ojos! También puede verse en el zoom de esta pequeña banda que los extremos del rango visual son el rojo (baja energía) y el violeta (alta energía), y los colores corresponden al patrón que vemos en un arcoiris. La radiación justo antes de la visible algo menos energética es la radiación infrarroja (es la que usa el control remoto de la TV, los lentes de visión nocturna y que algunas serpientes, entre otros animales, pueden percibir haciéndolos excelentes cazadores), y la que sigue a la radiación visible es la que viene después del violeta, por lo tanto es más energética, es lo que llamamos rayos ultravioleta (tan dañinos para nuestros ojos). Dado que nuestros ojos son sensibles a una región tan limitada del espectro y muchas cosas ocurren en rangos fuera de la radiación visible los científicos han creado instrumentos para medir los otros tipos de radiación. Comúnmente cuando hablamos de telescopios nos referimos a telescopios ópticos que sólo son útiles para estudiar luz visible, para estudiar radiación de otras frecuencias (o energías) se usan telescopios de rayos X y gamma, telescopios infrarrojos, etc. algunos de los cuales son telescopios espaciales que se encuentran en órbita. En un post anterior hablamos de varios telescopios poco convencionales.
Volviendo a las ondas, hoy en día nuestras comunicaciones dependen del uso de las ondas electromagnéticas incluyendo celulares, wi-fi, radio, y comunicaciones satelitales. Los electrones que generan las ondas que usamos para comunicarnos son agitados por esos dispositivos que llamamos antenas. Vivimos rodeados de antenas en cada esquina además de la antena portátil de nuestros dispositivos electrónicos. Las ondas electromagnéticas nos rodean como un legado del gran Maxwell al que hemos aprendido a controlar y usar en nuestro diario vivir.

Einstein describiendo su teoría general de la relatividad

Ondas gravitacionales

En 1915, Einstein publicó teoría general de la relatividad, en la que nos enseñó que el espaciotiempo es flexible y se deforma ante la presencia de objetos masivos como el Sol (más detalles en este post anterior). Una pregunta inmediata que surge ante esta idea de un espaciotiempo flexible es ¿qué pasaría si un objeto tan masivo como para deformar el espaciotiempo se mueve rápidamente? ¿podría la agitación de objetos muy masivos generar ondas en analogía a las ondas producidas por Hertz? La respuesta a esta última pregunta es afirmativa (en teoría). Un interesante ejercicio académico de todo estudiante de física es tomar las ecuaciones de la relatividad general y mostrar que una perturbación del espacio (equivalente a la hoja cayendo en la posa de agua) se propaga a la velocidad de la luz en todas direcciones y el campo gravitacional obedece la misma ecuación que las ondas de Maxwell. Estas ondas gravitacionales son una predicción de la teoría de Einstein, sin embargo hasta la fecha no han sido confirmadas experimentalmente. Uno de los motivos es que se necesita agitar rápidamente una masa enorme para generar una onda gravitacional, por lo cual es algo imposible de hacer de manera artificial en un laboratorio. El otro motivo es que sus efectos serían muy pequeños.

paso de una onda gravitacional

En concreto una onda gravitacional haría que los objetos se contraigan y estiren a su paso. El efecto sería muy pequeño, pero podría amplificarse con el estudio de objeto de gran extensión por lo que observatorios de ondas gravitacionales como LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) en EEUU consisten en dos largos brazos perpendiculares (4 km cada uno) al final de los cuales hay un espejo. Un láser mide la distancia a cada espejo, la que aumentará y disminuirá alternadamente en cada brazo ante el paso de una onda gravitacional. Dado que otros fenómenos podrían producir una señal parecida a una onda gravitacional, se construyeron dos de estos observatorios en EEUU, uno en Hanford (estado de Washington) y otro en Livingston (Louisiana), ya que así una onda gravitacional debe detectarse al mismo tiempo y tener las mismas características en ambos observatorios.

vista aérea de LIGO en Livingston, donde se aprecia la extensión de sus brazos perpendiculares de 4 km. cada uno.

Hasta la fecha no existe confirmación de la existencia de estas ondas gravitacionales, sin embargo los científicos han encontrado muchos fenómenos astrofísicos violentos que podrían generarlas. En 1974, el físico Russell Hulse y el astrofísico Joseph Taylor, Jr. descubrieron un sistema formado por dos estrellas de neutrones que orbitan un centro de masa común. Una estrella de neutrones es un objeto muy masivo pero compacto con un radio de unos 10 km. (es lo que queda al final de la vida de una estrella muy masiva) y que no es visible con telescopios convencionales por lo que usaron radiotelescopios para medir las ondas de radio emitidas por este tipo de estrellas. Sus mediciones permitieron notar que la órbita no se mantenía constante y que al pasar el tiempo la distancia entre las estrellas disminuía, es decir, con cada órbita ambas estrellas perdían un poco de energía por lo cual se acercaban lentamente. Cálculos permitieron verificar que el cambio medido correspondía al esperado si el sistema estuviese perdiendo energía en forma de ondas gravitacionales, es decir, las mediciones se ajustan con gran precisión a los predichos por la relatividad general. Este descubrimiento se considera una verificación indirecta de la existencia de ondas gravitacionales y dió el Premio Nobel a Hulse y Taylor en 1993. Sin embargo los físicos siguen a la espera de poder medir el paso directo de una onda gravitacional en sus observatorios. Es importante mencionar que LIGO no es el único observatorio de ondas gravitacionales, GEO600 en Alemania, TAMA en Japón y VIRGO en Italia están también a la caza de estas vibraciones del espaciotiempo. Dos interesantes videos que describen detalles del funcionamiento de estos observatorios se encuentran aquí y aquí (lamentablemente en inglés), los que en la práctica corresponden a interferómetros gigantes. Existe también un proyecto llamado LISA, que es equivalente a LIGO pero en órbita en torno a la Tierra lo que permitiría brazos mucho más largos entre la fuente de láser y los espejos. Sin embargo el proyecto tiene complicaciones técnicas y económicas por lo que no hay certeza que sea alguna vez lanzado al espacio. Ya he dicho antes que la ciencia hoy de hace con migajas, las que probablemente no alcanzarán para estos proyectos tan ambiciosos.

En abril de 2011, un grupo de astrónomos de EEUU y España descubrió que un par de estrellas llamadas enanas blancas orbitan en torno a un centro común separadas a una distancia menor que la separación Tierra-Luna (las enanas blancas son los restos muy calientes y moribundos de estrellas no muy masivas como nuestro Sol, son como las brasas de un fuego extinguido). Lo notable de este sistema es que los astrónomos determinaron que las estrellas completan cada órbita en menos de 13 minutos! Esta enorme velocidad orbital convierte a este sistema (llamado SDSS J065133.338+284423.37, sí el nombre no es muy atractivo por lo que se le llama J0651) en un excelente laboratorio para testear la predicción de Einstein ya que el par del estrellas del sistema binario J0651 está siendo agitado violentamente (el paper se encuentra en arXiv).

Simulación de un sistema binario emitiendo ondas gravitacionales

NOTEN LA SIMILITUD CON LA LETRA S / SERPIENTE / "AGUJERO DE GUSANO" / VESICA PISCIS=JUAN 21:11

Comentario: muchos medios de noticias científicas han cubierto esta interesante noticia, sin embargo algunos medios hablan de “descubrimiento de ondas gravitacionales”. Aquí hay que tener mucho cuidado ya que este nuevo trabajo, al igual que el de Hulse y Taylor, muestra evidencia sólida de que las ondas gravitacionales son un fenómeno real, sin embargo es evidencia indirecta. Es muy pronto para declarar la observación de ondas gravitacionales, lo que se espera ocurra en alguno de los observatorios en operación o quizás en el futuro en LISA.

Imágenes: NASA, LIGO, ESA.