La detecció d’ones gravitacionals (Weiss, Barish, Thorne; Premi Nobel de Física 2017)

El Premi Nobel de Física del 2017 ha estat concedit en un 50% a Rainer Weiss, en un 25% a Barry C. Barish i en un 25% a Kip S. Thorne, “per contribucions decisives al detector LIGO i a l’observació d’ones gravitacionals“. Certament, Kip Thorne és el més conegut dels tres guardonats sobretot per les seves contribucions als forats de cuc i a la (im)possibilitat del viatge en el temps, i les seves contribucions en física gravitacional i en astrofísica, a banda de la qüestió de la detecció d’ones gravitacionals, el feien mereixedor tard o d’hora d’un o més guardons. De moment, s’haurà de conformar amb aquest quart. El premi arriba oportunament, car el febrer del 2016, s’anunciava la primera detecció d’una ona gravitatòria, honor que correspongué a l’observatori LIGO.

Rainer Weiss

Rainer Weiss (*Berlin, 29.9.1932) va nàixer al si d’una família jueva. El seu pare, metge i psicoanalista, era militant del Partit Comunista d’Alemanya (KPD). El triomf del feixisme el 1933 va fer que s’haguessin d’exiliar a Praga, d’on també haurien de partir el 1938 pels mateixos motius. Gràcies a la família Stix obtingueren visats per entrar als Estats Units, i s’establiren a la ciutat de Nova York. Rai estudià a la Columbia Grammar School i al Massachusetts Institute of Technology. Després d’un primer curs del MIT deixà els estudis, però després els reprengué, graduant-se el 1955. Realizà la tesi doctoral, sobre l’efecte Stark i l’estructura hiperfina de l’àcid fluorhídric, sota la supervisió de Jerrold Zacharias (1905-1986) i la defensà reeixidament el 1962. Mentrestant, fou professor a la Tufts University (1960-62) i realizà després una estada post-doctoral a Princeton (1962-64), abans de tornar ja al MIT. Weiss és conegut per les seves contribucions en la caracterització de la radiació còsmica de fons i en l’observació d’ones gravitacionals per interferometria. Tots dos camps eren en la infantesa quan ell hi ingressà. De fet, com hem dit, l’observació d’ones gravitacionals no va ser possible fins el 2016.

Barry C. Barish

Barry Clark Barish (*Omaha, 27.1.1936) es va criar al sud de Califòrnia, i estudià a Los Angeles. Es graduà en física (1957) en la University of California, Berkeley, on també va fer la tesi doctoral en física experimental d’alta energia, defensant-la reixidament el 1962. El 1963 passà al Caltech, on treballà en física de partícules emprant els acceleradors de partícules més potents dels laboratoris nacionals dels Estats Units. Així treballà amb les col·lisions de neutrinos d’alta energia en el Fermilab sobre l’estructura dels nucleons; o en el Túnel del Gran Sasso sobre la massa dels neutrinos; o en el International Linear Collide (ILC), del que esdevingué director. El 1991 esdevingué ocupà la Càtedra Maxine and Ronald Linde de Física del Caltech. El 1994 esdevingué l’investigador principal de l’Observatori d’Ones Gravitacional per Interferometria Làser (LIGO en l’acrònim anglès). Barish encapçalà la fase inicial d’obtindre fons de la NSF i la de la construcció i posada en funcionament dels interferòmetres de Livingston (Louisiana) i Hanford (Washington), que tingué lloc el 1997. Llavors ja era el director de LIGO, projecte que aplegà centenars d’investigadors de tot el món. El projecte LIGO donà pas a Advanced LIGO, el qual aconseguí la primera detecció d’una ona gravitacional el 14 de setembre del 2015, detecció que seria confirmada el febrer del 2016.

Kip S. Thorne

Kip Stephen Thorne (*Logan, Utah, 1.6.1940) va nàixer en el si d’una família mormona de professors de la Utah State University: el pare, Wynne Thorne, era professor d’agronomia, i la mare, Alison Cornish Thorne, era professora d’economia. Eren quatre germans, i tres d’ells esdevindrien eventualment professors universitaris. Kip es va guardar en el Caltech el 1962, i va doctorar-se a Princeton el 1965, amb una tesi sobre la geometrodinàmica de sistemes cilídrics, supervisada per John Wheeler. El 1967 esdevingué professor assoaciat del Caltech, i el 1970 professor de física teòrica. Entre el 1991 i el 2009 ocupà la Càtedra Feynman de Física Teòrica del Caltech. Ja com a professor emèrit, s’ha dedicat plenament a la literatura, especialment a guions cinematogràfics (Interstellar, 2014).

La detecció d’ones gravitacionals per l’observatori d’interferometria làser LIGO

Els tres guardonats formen part de la col·laboració científica establerta entre els programes LIGO (Observatori d’Ones Gravitacionals per Interferometria Làser) i VIRGO (interferòmetre de Michelson instal·lat a Pisa), que arrenca del 2007 i que trobà coronats els seus esforços amb la detecció d’una ona gravitacional el 14 de setembre del 2015. L’ona gravitacional fou el resultat d’una col·lisió entre dos forats negres escaiguda en una galàxia situada a 1300 milions d’anys-llum. Van caldre, es clar, mesos de feina per tal de confirmar que el senyal, extremadament feble, es corresponia realment a una ona gravitacional.

La detecció del 2015 era el resultat de quatre dècades de recerca. Rainer Weiss i Kip S. Thorne foren dos pioners en el camp de l’aplicació de la interferometria en la detecció de les ones gravitacionals. Els dos participaren en el projecte LIGO, que ha estat dirigit per Barry C. Barish

La recerca de Rainer Weiss a mitjan dels anys 1970 s’enfocà al disseny d’un interferòmetre làser que optimitzés la precisió de mesura. Kip Thorne treballà en els aspectes teòrics i experimentals d’aquesta aplicació de la interferometria. Ja hem vist que Thorne fou doctorand de John Weeler, una de les personalitats més destacades en el desenvolupament post-einstenià de la teoria de la relativitat general, entesa com a teoria post-newtoniana de gravetat. En el marc de la teoria d’Einstein, les ones gravitacionals es difonen a la velocitat de la llum i cal pensar que omplen tot l’univers, en tant que es generen sempre que una massa accelera o desaccelera (Einstein, 1916; Einstein, 1918). El mateix Einstein, però, considerava poc probable que mai fos possible de mesurar-les. Weiss i Thorne no pensaven el mateix. En el seu disseny es contemplava l’ús d’un parell d’interferòmetres làser gegantins, que assolís una precisió attomètrica per tal de mesurar directament les ones gravitacionals. De manera indirecta, Taylor et al. (1979) havien estimat la radiació gravitatòria emesa pel pulsar binari PSR1913 + 16.

Abans de Weiss i Thorne, havien estat diversos els investigadors que havien proposat aproximacions en el disseny d’observatoris d’ones gravitacionals (Bondi, 1957; Weber, 1960). L’antena de Joseph Weber, dissenyada el 1960, consistia en una barra d’alumini de 1,5 tones amb un cinyell de cristalls piezoelèctrics; minimitzant l’efecte de vibracions indesitjades, hom esperava detectar una vibració de 1657 Hz corresponent a una ona gravitacional. En el 1969, Weber presentà els seus resultats, però el fet que no poguessin ser replicats per altres laboratoris dels Estats Units i d’Europa els deixaren sense confirmació.

A diferència de la barra ressonant de Weber, els interferòmetres poden treballar en un ample de banda més elevat. Gertsenshtein & Pustovoit (1963) havien postulat l’ús d’interferòmetres per a la detecció d’ones gravitacionals de baixa freqüència. Sota l’empenta de Weber, Robert L. Forward (1971) també havia explorat l’ús d’interferòmetres per aconseguir una antena multidireccional de detecció de radiació gravitacional. El 1972, Weiss realitzà un report sobre el disseny d’una antena interferomètrica orientada a la detecció de radiació gravitacional emesa per pulsars. De manera paral·lela treballaven grups com el de Heinz Billig, de l’Institut Max Planck d’Astrofísica de Garching, o el de Ronald Drever i James Hough, de la Universitat de Glasgow. Al Caltech, sota els auspicis teòrics de Kip Thorne, es dissenyà un altre interferòmetre, que s’enfortí amb el fitxatge de Drever.

La col·laboració entre Weiss, Drever i Thorne permeté l’elaboració un report l’octubre del 1983 per aconseguir finançament de la NSF. La concessió permeté iniciar el projecte en el 1984, amb seu a Caltech. Rochus Vogt es va fer càrrec de la direcció del programa, que aconseguí en el 1990 que la NSF s’impliqués en la construcció de l’observatori LIGO, amb un investiment de 300 milions de dòlars. L’observatori instal·là el seu parell d’interferòmetres un a Hanford (Washington) i a Livingstone (Louisiana), separats per 3000 km. El 1994, Barry Barish assumí la direcció de LIGO.

Sota la direcció de Barish, LIGO esdevingué realment un projecte internacional, més enllà de la col·laboració entre el MIT i Caltech. La voluntat era començar amb un LIGO inicial (iLIGO) que eventualment donaria lloc al LIGO avançat (aLIGO). Entre el 1994 i el 1998 es realitzà la construcció a Hanford i Livingston. Entre el 1999 i el 2002 es realitzà la instal·lació de l’equip.

El LIGO entrà en funcionament en el 2002. En el 2003 entrà en funcionament el detector VIRGO, a Cascina (província de Pisa), que se sumà al LIGO en una col·laboració en el 2007. L’estiu del 2015 s’hi feren millores, sota el nom d’Advanced LIGO. Cada braç d’interferòmetre consisteix en dos miralls de silica fossa de 40 kg; cada mirall és suspès en un sistema de pèndol quàdruple, muntat en una plataforma controlada per evitar el soroll degut als moviments sísmics. Els dos miralls són separats a una distància de 4 km. En cada braç es genera un feix de llum de 1064 nm a partir d’un làser Nd:YAG, amb una potència de 20 W (ampliada a 700 W gràcies a un sistema de cavitat)

Esquema del detector aLIGO

El 14 de setembre del 2015, a les 09:50:45 UTC, hom detectà un senyal, catalogat com a GW150914, que fou interpretat com una ona gravitacional producte de la fusió de dos forats negres a uns 400 megaparsecs de distància (Abbot et al., 2016a). El 26 de desembre del 2015, a les 03:38:53 UTC s’identificà un altre senyal, catalogat com a GW151226, que fou interpretat com una ona gravitacional resultant de la coalescència d’un forat negre binari a 440 Mpc (Abbot et al., 2016b). El 4 de gener del 2017 a les 10:11:58,6 UTC identificaren el senyal GW170104, que fou interpretat com l’ona gravitacional resultant de la coalescència d’un forat negre binari a 880 Mpc (Abbot et al., 2017).

Esquema de la densitat de probabilitats per al senyal GW170104 segons les masses dels dos objectes fusionats. Indica que el forat negre binari era integrat per un component de 30 masses solars i un component de 20

L’observació d’ones gravitacionals obre una nova perspectiva a l’astronomia, que fins ara s’havia basat en l’observació de fotons (amb un espectre electromagnètic que va de les ones de ràdio fins a les ones gamma), de neutrinos i d’altres partícules (raigs còsmics)



Aquesta entrada ha esta publicada en 1. L'Univers. Afegeix a les adreces d'interès l'enllaç permanent.

Deixa un comentari

L'adreça electrònica no es publicarà. Els camps necessaris estan marcats amb *