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Las Ondas Gravitacionales: la nueva ventana al Universo


En muchos casos no percibimos los cambios históricos que ocurren en nuestra era, sólo somos conscientes de estos cuando vemos su impacto social a posterioridad. El miércoles 31 de octubre se otorgó el Premio Nobel de Física de 2017 a R. Weiss, B. Barish y K. Thorne por su “Contribución decisiva en los detectores de LIGO y la observación de ondas gravitacionales”. Quizás, estamos ante un hito histórico que marcará un cambio de era. 

Pero ¿qué son las ondas gravitacionales? Albert Einstein en el año de 1915 formula la Teoría de la Relatividad General, la que unifica los conceptos de espacio y tiempo y  además los relaciona con la materia. Una de las principales predicciones de esta teoría son las ondas gravitacionales; la materia en movimiento acelerado libera energía de origen gravitacional, que perturba el espaciotiempo y se propaga en forma de ondas, que son en sí mismas la distorsión del espaciotiempo, haciendo que las distancias se estiren o acorten, y que los relojes vayan más rápido o más lento. La primera detección de ondas gravitacionales fue realizada el 14 de septiembre de 2015 por el Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferometría Láser (LIGO), ubicado en Estados Unidos. Hasta ahora se han registrado cuatro observaciones, la última el pasado 27 de septiembre, realizada por el observatorio VIRGO en Europa, consolidando la existencia de las ondas gravitacionales.

La iniciativa para la creación de observatorios gravitacionales surge a finales de los ’60, pero no es sino hasta 1992 que es fundado el LIGO, con financiamiento de la National Science Foundation de Estados Unidos y promovido de R. Weiss en el MIT y K. Throne en Caltech. Su costo, cerca de 620 millones de dólares, nos ilustra el gran impacto que tiene una fuerte inversión en ciencia, que actualmente vemos cada vez más menguada, especialmente en los países latinoamericanos, donde la tendencia es a reducirla. La colaboración científica LIGO (LSC), liderada por B. Barish, es una colaboración de 1062 científicos de 16 países -figurando entre los países latinoamericanos sólo, tímidamente, Brasil- nos muestra la unión de la comunidad científica mundial en función de la búsqueda de conocimiento.

Podemos preguntarnos ¿cuál es la relevancia de este descubrimiento? Con la detección de las ondas gravitacionales estamos en el mismo punto que Galileo, cuando apuntó al cielo con su telescopio. Estamos ante una nueva era en la astronomía, donde tendremos acceso a eventos que antes sólo podíamos teorizar; representando una nueva ventana para entender el Universo.

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Relatividad Especial de Sitter


Motivada por las evidencias cosmológicas de la expansión acelerada del Universo, que podría ser causada por una constante cosmológica diferente de cero, la Relatividad Especial de Sitter propone como grupo de covariancia el grupo de de Sitter. Al incluir la constante cosmológica como consecuencia de la cinemática de la teoría, se da una explicación natural a esta expansión, sin necesidad de recurrir a un fluido exótico como en los Modelos de Energía Oscura. Por otro lado, en las teorías de gravedad cuántica se espera que el tiempo de Planck y la longitud de Planck sean invariantes, esto representa un inconveniente, ya que, en el contexto de la Relatividad Especial no existen longitudes absolutas. Por el contrario, el parámetro de longitud de de Sitter surge naturalmente como un invariante de Lorentz, y además, como un invariante bajo transformaciones de escala.

Cuando consideramos el término de constante cosmológica no nulo en las ecuaciones de Einstein en el vacío, interpretándolo como un término enteramente geométrico, obtenemos como solución el espacio-tiempo maximamente simétrico de de Sitter (o anti-de Sitter). Este espacio-tiempo, además de ser solución a las ecuaciones de Einstein, puede ser construido fuera del contexto de la Relatividad General, dado que, al igual que el espacio de Minkowski, es un espacio homogeneo, definido como el cociente entre el grupo de de Sitter y el grupo de Lorentz.

En la Relatividad Especial de Sitter, se conserva la invariancia de Lorentz, manteniendo la isotropia y la equivalencia de sistemas de referencia inerciales, pero se violan las traslaciones. Como consecuencia, el quadri-momento ya no es una cantidad conservada. La nueva cantidad conservada es una combinación lineal del momento ordinario con el “momento conforme”. De esta manera, los conceptos ordinarios de energía y momento son modificados, introduciendo nuevas nociones de energía y momento conformes.

El grupo de de Sitter presenta dos límites dependiendo del valor del parámetro de longitud. Cuando este parámetro es infinitamente grande (o equivalentemente; constante cosmológica casi cero) el grupo de de Sitter se contrae en el grupo de Poincaré y así, el espacio de de Sitter se reduce al espacio-tiempo de Minkowski. Cuando tomamos el parámetro de longitud pequeño (constante cosmológica tendiendo a infinito), el grupo de de Sitter se contrae al grupo Conforme de Poincaré, el cuál origina el espacio-tiempo cónico.

La transitividad en el espacio de de Sitter es definida por las “traslaciones conformes”; una combinación de translaciones ordinarias y transformaciones conformes. La importancia relativa de estas contribuciones para el movimiento viene determinada por el valor del parámetro de longitud de de Sitter. Esta propiedad incorpora una nueva definición de movimiento y una nueva noción de la estructura causal del espacio-tiempo.

De manera análoga, la ecuación de dispersión es modificada, manifestando invariancia bajo re-escalamiento de masa, energía y momento, siendo aplicable a cualquier escala de energía.

Esta formulación permite una variación temporal de la constante cosmológica a lo largo de la historia del universo.

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