Ondas gravitacionales pueden revelar nuevas dimensiones

Dimensiones ocultas podrían ser las responsables por provocar ondulaciones en la realidad al modificar las ondas gravitacionales – y detectar estas firmas de dimensiones extras puede ayudar a los físicos a resolver algunos de los mayores misterios del universo.

ondas gravitacionales generadas por colision de hoyos negros

Desde hace mucho tiempo los físicos se han venido preguntando porqué la gravedad es tan débil en comparación con otras fuerzas fundamentales. Una teoría dice que esto podría deberse a que escapa a dimensiones extras además de las tres dimensiones espaciales que podemos experimentar.

Algunas de las teorías que intentan explicar cómo la gravedad y los efectos cuánticos se relacionan, incluyendo la teoría de las cuerdas, necesitan dimensiones extras, muchas veces con la gravedad propagándose a través de las mismas. Por eso, encontrar evidencia de estas dimensiones podría ayudar a desentrañar la gravedad, o a encontrar una forma de unir la gravedad y la mecánica cuántica – e incluso sugerir una explicación de porqué la expansión del universo se está acelerando.

Pero detectar dimensiones extras representa un enorme desafío. En caso de que existan en realidad, tendrían que ser muy pequeñas para evitar los efectos obvios en nuestra vida cotidiana. Las esperanzas eran muchas (y lo siguen siendo) sobre el Gran Colisionador de Hadrones, pero aún no hemos encontrado ninguna evidencia de física más allá de nuestras cuatro dimensiones.

Sin embargo, desde hace dos años surgió una nueva esperanza. Las ondas gravitacionales, pequeñas ondulaciones en el espacio-tiempo provocadas por el movimiento de objetos masivos, detectadas por primera vez en el año 2015. Dado que la gravedad es susceptible de ocupar todas las dimensiones existentes, son ondas con un modo especialmente prometedor para detectar cualquier dimensión más allá de las que conocemos.

“Si existen dimensiones extras en el universo, entonces las ondas gravitacionales pueden caminar en cualquier dirección, incluso en esas dimensiones extras”, dice Gustavo Lucena Gómez, del Instituto Max Planck de Física Gravitacional, en Potsdam, Alemania.

Lucena Gómez y su colega David Andriot se propusieron calcular la forma en que potenciales dimensiones extras afectarían a las ondas gravitacionales que podemos observar. Descubrieron dos efectos peculiares: ondas extras en altas frecuencias y una modificación de la forma en que las ondas gravitacionales estiran el espacio.

A medida que las ondas gravitacionales se propagan a través de una minúscula dimensión extra, el equipo encontró que se debería generar una “torre” de ondas gravitacionales extras con altas frecuencias tras una distribución regular.

Pero los observatorios actuales no son capaces de detectar frecuencias tan altas, y la mayoría de los observatorios planeados también están enfocados en frecuencias más bajas. Por eso, aunque estas ondas extras existieran en todas partes, serían muy difíciles de detectar.

 

Modificando el espacio-tiempo.

El segundo efecto de dimensiones extras puede ser mucho más detectable, toda vez que modifica las ondas gravitacionales “normales” que observamos en lugar de agregar una señal extra.

“Si las dimensiones extras estuvieran en nuestro universo, esto estiraría o encogería el espacio-tiempo de una forma que las ondas gravitacionales convencionales jamás podrían”, dice Lucena Gómez.

A medida que las ondas gravitacionales ondulan por el universo, estiran y encogen el espacio de una forma muy específica. Es como tirar de un elástico: la elipse formada por la cinta se hace más larga en una dirección y más corta en otra, y después vuelve a su forma original cuando se suelta.

hoyos negros colision

Pero las dimensiones extras agregan otra forma en que las ondas gravitacionales cambian la forma del espacio, conocida como modo de respiración. De la misma forma que nuestros pulmones cuando respiramos, el espacio se expande y contrae a medida que las ondas gravitacionales pasan, además de estirarse y encogerse.

“Con una mayor cantidad de detectores podremos ver si este modo de respiración está sucediendo”, dice Lucena Gómez.

“Las dimensiones extras han sido discutidas por un largo tiempo desde diversos puntos de vista”, dice Emilian Dudas, de la École Polytechnic, en Francia. “Las ondas gravitacionales pueden ser un nuevo giro en la búsqueda de dimensiones extras”, afirma.

Pero existe un contratiempo: mientras la detección de una torre de ondas gravitacionales de alta frecuencia apuntaría de forma bastante conclusiva hacia dimensiones extras, un modo de respiración en el cambio de la forma del espacio podría explicarse por otras teorías no-estándar de la gravedad. “Probablemente no se trata de una firma única”, dice Dudas. “Pero sería algo muy emocionante”.

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