CIENCIA. El papel de las ondas gravitacionales en la propulsión warp al estilo de "Star Trek"

El papel de las ondas gravitacionales en la propulsión warp al estilo de Star Trek

 

Los motores de curvatura son comunes en la ciencia ficción. En principio, podrían propulsar naves espaciales a una velocidad superior a la de la luz. Shutterstock

06 septiembre 2024.- Es posible que hayas visto motores warp en series como Star Trek. Un motor warp es una forma hipotética de tecnología que comprime el espacio delante de una nave espacial y lo expande detrás. Si bien nada puede viajar más rápido que la velocidad de la luz, en un motor warp podemos hacer trampa acortando nuestra distancia. Por lo tanto, el tiempo que tarda en ir de A a B es menor que el tiempo que tarda la luz en otro camino sin comprimir.

El salto de la ciencia ficción a la ciencia real lo dio el físico teórico Miguel Alcubierre en 1994, cuando se inspiró para modelar un motor de curvatura utilizando las ecuaciones de la relatividad general de Einstein.

La relatividad general es una relación entre la curvatura del espacio-tiempo (gravedad) y una distribución de materia o energía (material). Normalmente, empezamos por conocer el "material". Por ejemplo, sabemos que tenemos una masa de materia que representa un planeta o una estrella. Luego, introducimos ese material en las ecuaciones para determinar cómo se curva el espacio-tiempo. Y cómo se curva nos indica la gravedad que mediríamos alrededor del objeto.

Cómo un objeto curva el espacio-tiempo. vrvr/Alamy

Se podría decir que esto es exactamente lo que hace la imagen de la gravedad de Isaac Newton : dar una relación entre la masa de un objeto y la fuerza gravitatoria que ejerce. Y estaríamos en lo cierto. Pero el concepto de curvatura del espacio-tiempo da lugar a una gama mucho más rica de fenómenos que una simple fuerza. Permite una especie de gravedad repulsiva que impulsa a nuestro universo a expandirse, crea dilatación del tiempo alrededor de objetos masivos y ondas gravitacionales en el espacio-tiempo y, al menos en teoría, hace posible los motores de curvatura.

Alcubierre abordó su problema desde la dirección opuesta a la habitual. Sabía qué tipo de curvatura del espacio-tiempo quería. Era una en la que un objeto pudiera navegar sobre una región del espacio-tiempo deformado. Así que trabajó al revés para determinar el tipo de configuración de materia que se necesitaría para crear esto. No era una solución natural de las ecuaciones, sino más bien algo "hecho a medida". Sin embargo, no era exactamente lo que él habría pedido. Descubrió que necesitaba materia exótica , algo con una densidad de energía negativa, para deformar el espacio de la manera correcta.

Los físicos suelen ver con escepticismo las soluciones de materia exótica, y con razón. Si bien, matemáticamente, se puede describir la materia con energías negativas, casi todo lo que conocemos parece tener una energía positiva. Pero en física cuántica, hemos observado que pueden ocurrir pequeñas violaciones temporales de la positividad energética y, por lo tanto, la “ausencia de energía negativa” no puede ser una ley fundamental absoluta.

¡A toda velocidad, Scotty!

Una de las piedras angulares de las observaciones modernas de ondas gravitacionales, y uno de sus mayores logros, es la capacidad de predecir con precisión las formas de onda a partir de escenarios físicos utilizando una herramienta llamada “relatividad numérica” .

Esta herramienta es importante por dos razones. En primer lugar, porque los datos que obtenemos de los detectores siguen siendo muy ruidosos, lo que significa que a menudo tenemos que saber aproximadamente cómo es una señal para poder extraerla del flujo de datos. Y en segundo lugar, incluso si una señal es tan fuerte que se destaca por encima del ruido, necesitamos un modelo para interpretarla. 

Un problema con el espacio-tiempo de propulsión warp es que no produce ondas gravitacionales de forma natural a menos que se ponga en marcha o se detenga. Supongamos que el campo de contención de la propulsión warp colapsara (una historia básica en la ciencia ficción); presumiblemente habría una liberación explosiva tanto de la materia exótica como de ondas gravitacionales.

El colapso de la burbuja de propulsión warp es, en efecto, un evento extremadamente violento. La enorme cantidad de energía necesaria para deformar el espacio-tiempo se libera en forma de ondas gravitacionales y ondas de energía de materia positiva y negativa. Desafortunadamente, lo más probable es que sea el final del camino para la tripulación de la nave, que sería destrozada por las fuerzas de marea.

En comparación con el estudio de las ondas de luz, todavía nos encontramos en la etapa de Galileo, tomando fotografías del universo en la estrecha banda de frecuencias de la luz visible. Tenemos todo un espectro de frecuencias de ondas gravitacionales por explorar, que serán sensibles a una serie de fenómenos que ocurren en el espacio y el tiempo.