Las ondas gravitacionales pueden oscilar, como los neutrinos

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Las ondas gravitacionales pueden oscilar, como los neutrinos

   Usando datos de las primeras ondas gravitatorias detectadas el año pasado, junto con un análisis teórico, físicos han demostrado que éstas pueden oscilar entre dos formas diferentes: ‘g’ y ‘f’.

   Los físicos explican que este fenómeno es análogo a la forma en que los neutrinos oscilan entre tres ‘sabores’ distintos: electrón, muón y tau.

   Las ondas gravitacionales oscilantes surgen en una teoría de gravedad modificada llamada gravedad bimétrica, o ‘bogravedad’, y los físicos muestran que dichas oscilaciones pueden ser detectables en futuros experimentos.

   Los investigadores, Kevin Max, un estudiante de doctorado en Scuola Normale Superiore di Pisa y INFN Pisa, Italia; Moritz Platscher, estudiante de doctorado en el Instituto Max Planck de Física Nuclear, Alemania; y Juri Smirnov, un postdoctorado en la Universidad de Florencia, Italia, han publicado un artículo sobre su análisis de las oscilaciones en ondas gravitacionales en un reciente número de Physical Review Letters.

   A su juicio, el trabajo puede ayudar a responder a la pregunta de qué está hecho el ‘otro 95 por ciento’ del universo, sugiriendo que la respuesta puede estar en modificaciones a la gravedad más bien que en nuevas partículas.

   «Sólo el 5% de la materia es de un tipo que creemos entender correctamente», dijo Smirnov a Phys.org.«Para abordar la cuestión de lo que está hecho nuestro universo (‘materia oscura’ y ‘energía oscura’), la mayoría de los autores discuten modelos de física de partículas alternativos con nuevas partículas. Sin embargo, experimentos como el LHC (Large Hadron Collider) no han detectado ninguna partícula exótica, lo que plantea la pregunta de si tal vez el lado gravitatorio necesita ser modificado.

   «En nuestro trabajo, preguntamos qué señales podemos esperar de una modificación de la gravedad, y resulta que la ‘bigravedad’ presenta una señal única y por lo tanto puede ser discriminada de otras teorías. La reciente detección de las ondas gravitacionales por LIGO (Laser Interferometer Gravitacional-Wave Observatory) ha abierto una nueva ventana sobre los sectores oscuros del universo para nosotros. Si la naturaleza ha elegido la relatividad general, la ‘bigravedad’, o cualquier otra teoría es una cuestión diferente».

   Actualmente, la mejor teoría de la gravedad es la teoría de Einstein de la relatividad general, que utiliza una sola métrica para describir el espacio-tiempo. Como resultado, las interacciones gravitacionales están mediadas por una sola partícula hipotética llamada gravitón, la cual carece de masa y así viaja a la velocidad de la luz.

   La principal diferencia entre la relatividad general y la ‘bigravedad’ es que esta última utiliza dos métricas, g y f. Considerando que g es una métrica física y que se empareja con la materia, f es una métrica estéril y no se acopla a la materia. En la bigravidad, las interacciones gravitacionales están mediadas por dos gravitones, uno de los cuales tiene masa y el otro no tiene masa. Los dos gravitones están compuestos de diferentes combinaciones (o superposiciones) de las métricas g y f, por lo que se unen a la materia circundante de diferentes maneras.

La existencia de dos métricas (y dos gravitones) en el marco ‘bigravedad’ eventualmente conduce al fenómeno de la oscilación.

   Como explican los físicos, la idea de que podría existir un gravitón con masa ha existido desde casi tanto tiempo como la relatividad general en sí.

   «La teoría de Einstein de la relatividad general predice un mediador (el gravitón) de las interacciones gravitacionales, que viaja a la velocidad de la luz, es decir, sin masa«, dijo Max. «A finales de la década de 1930, la gente ya estaba tratando de encontrar una teoría con un mediador que tenga masa y, por lo tanto, viaja a una velocidad menor que la velocidad de la luz, lo cual resultó ser una tarea muy difícil y sólo recientemente realizada en 2010. La bigravidad es una variación de este marco de 2010, que no cuenta con una, sino con dos métricas dinámicas: sólo una de ellas se acopla a la materia mientras que la otra no, y una combinación lineal de ellas se vuelve masiva (más lenta que la velocidad de luz) mientras que la otra no tiene masa (velocidad de la luz)».

   Los físicos demuestran que, en el marco de la bigravedad, cuando las ondas gravitacionales se producen y se propagan a través del espacio, oscilan entre los tipos g y f, aunque sólo se puede detectar el tipo g. Aunque investigaciones anteriores han sugerido que estas oscilaciones podrían existir, parecía conducir a resultados no físicos, como una violación de la conservación de la energía.

   El nuevo estudio muestra que las oscilaciones pueden emerger teóricamente en un escenario físico realista cuando se consideran masas de gravitones que son lo suficientemente grandes como para ser detectadas por las pruebas astrofísicas actuales.

   Para entender estas oscilaciones, los científicos explican que en muchos aspectos se parecen a las oscilaciones de los neutrinos. Aunque los neutrinos vienen en tres ‘sabores’ (electrón, muón y tau), los neutrinos que típicamente se producen en las reacciones nucleares son neutrinos del electrón, porque los otros son demasiado pesados para formar la materia estable. De manera similar, en la bigravedad sólo la métrica g se vincula a la materia, por lo que las ondas gravitacionales producidas por eventos astrofísicos, como las fusiones de agujeros negros, son de tipo g ya que las ondas gravitacionales de tipo f no se acoplan a la materia.

   «La clave para entender el fenómeno de oscilación es que los neutrinos de electrones no tienen una masa definida: son una superposición de los tres estados propios de masa de los neutrinos», explicó Platscher. «Hablando más matematicamente hablando, la matriz de masa no es diagonal en la base del sabor (electrón-muón-tau), por lo que la ecuación de onda que describe cómo se mueven a través del espacio los mezclará y por lo tanto oscilarán».

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