Albert Einstein postuló la existencia de las ondas gravitacionales poco despues de publicar la teoría de la relatividad general, hace 100 años

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    Las ondas gravitacionales: siguiendo el rumor más tenue hacia los secretos del cosmos

    Miguel Zumalacárregui Pérez - 29-09-2016

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    En noviembre de 1915, Albert Einstein daba el toque final a lo que sería una de las joyas del conocimiento humano. Tras una década de trabajo consiguió sintetizar las ecuaciones que gobiernan la teoría de la relatividad general, un constructo matemático de gran belleza que describe la gravedad en términos de la curvatura del espacio tiempo. Einstein dedico diez años a completar esta gesta, pero la aventura no hacía sino empezar, pues en las próximas décadas se fueron entendiendo y confirmando las predicciones más psicodélicas de esta hermosa teoría, desde la expansión del universo, indicando que existe un origen del tiempo, hasta la existencia de agujeros negros en los que el tiempo se detiene. Cien años después solo una predicción clave de la relatividad general quedaba por confirmarse: la existencia de ondas gravitacionales, ínfimas distorsiones del tejido espaciotemporal que viajan a la velocidad de la luz. Este fenómeno pudo demostrarse por fin, un siglo después de haberse formulado la teoría.

     

    La detección de ondas gravitacionales es y será uno de los hallazgos científicos más importantes del siglo XXI. Se trata de un logro tecnológico sin precedentes, fruto de décadas de esfuerzo y una intensa colaboración a nivel internacional. Este hito abre una nueva ventana al universo que nos permitirá escuchar los fenómenos más extremos del cosmos, fenómenos que de otra forma permanecerían ocultos y que podremos usar para entender la gravedad en mayor profundidad. Y esto es esencial, ya que la gravedad está íntimamente ligada a muchos de los grandes problemas en física teórica, desde la unificación de las fuerzas hasta el origen del universo. Independientemente de cómo lleguen a resolverse estos misterios, las ondas gravitacionales nos ayudarán a entenderlos y nos abrirán la puerta a fenómenos nuevos e inesperados.

     

    Las ondas gravitacionales no son muy distintas de las ondas que se producen en la superficie de un estanque, las ondas que propagan el sonido en el aire, o las ondas electromagnéticas que dan lugar a la luz visible o la radio: se generan por una fuente, se propagan hacia el exterior de ésta, perdiendo intensidad en el camino, y producen ciertos efectos a su paso que permiten detectarlas con las técnicas adecuadas. Una diferencia entre las ondas gravitacionales y electromagnéticas es que las primeras se parecen más al sonido: son emitidas por la totalidad de un sistema y no solo por su superficie. Por este motivo no se habla de ver ondas gravitacionales, sino que se las escucha. Y hay que escucharlas con suma atención, pues la gravedad es una fuerza extremadamente débil. Sabemos esto porque con nuestras piernas somos capaces de vencer la fuerza que ejercen las casi 6 cuatrillones de toneladas de la tierra (6·1024 kg)1. Esta debilidad convierte el estudio de las ondas gravitacionales en una ciencia tremendamente desafiante, pues incluso los fenómenos más violentos del universo producen distorsiones ínfimas y detectarlas desafía los límites de nuestra tecnología.

     

    La primera onda gravitacional jamás detectada, GW150914, cruzó la tierra el 14 de septiembre de 2015. Sin embargo su viaje empezó hace más de mil millones de años, cuando dos agujeros negros que estaban orbitando en una galaxia lejana se colapsaron y se fundieron en un agujero negro mayor. Aunque cada uno de estos agujeros negros tenía una masa unas 30 veces mayor que nuestro sol (¡y este es unas vez cien millones de veces más pesado que la tierra!) la fusión se produjo en menos de dos décimas de segundo. Este proceso tan rápido y violento liberó una cantidad de energía correspondiente a 3 veces la masa del sol en forma de ondas gravitacionales. Al igual que el sonido del trueno es apenas audible cuando la tormenta es distante, el rugido de este proceso monstruoso apenas es perceptible a su llegada a la tierra.

     

    Detectar las ondas gravitacionales ha sido un desafío épico a nivel tecnológico. Una onda gravitacional tiene el efecto de acortar el espacio en una dirección y estirarlo en otra. Pero esta onda se atenúa y después de un viaje de mil millones de años, incluso la colisión de dos agujeros negros mucho mas masivos que el sol tiene un efecto imperceptible. La distorsión del espacio es por apenas un factor 10-21, es decir, una milésima de una trillonésima. Podemos entender lo minúsculo de este factor con una analogía. Imaginemos que en lugar de medir distorsiones del espacio, nos interesáramos por fluctuaciones monetarias, por ejemplo nuestros ahorros en el banco o el valor de una acción en la bolsa. En ese caso, una fluctuación de 10-21 es equivalente a modificar el valor de toda la economía mundial en una diezmillonésima de euro. Tal cantidad es tan ínfima que está muy por debajo de la menor fracción de divisa que se considera en ningún mercado.

     

    La colaboración LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) ha sido capaz de efectuar esta medida histórica usando un sistema extremadamente sofisticado para detectar estas perturbaciones en el espacio-tiempo. Cada uno de los detectores de LIGO consiste en dos rayos láser perpendiculares, cuya interferencia permite medir cambios en la distancia relativa que recorre cada uno de los rayos. La pequeñez de las ondas gravitacionales hace que el estiramiento de estos brazos es menor que el radio de un protón. Para sobreponerse la pequeñez de esta distorsión los espejos que reflejan los láser están suspendidos en un sistema cuádruple de péndulos, que los aísla del movimiento de la tierra. A pesar de todos estos trucos, multitud de efectos (que incluyen pequeños terremotos, coches pasando a kilómetros del detector o la vibración térmica de los espejos) son mucho mas fuertes que la señal, por lo que LIGO cuenta con dos detectores situados a 3.000 kilómetros en extremos opuestos de Estados Unidos. Al contrario que todos estos efectos, una onda gravitacional produce un patrón distintivo en ambos detectores: la misma señal es recogida en ambos puntos, pero con unos milisegundos de retraso que la onda gravitacional tarda en recorrer la distancia que los separa, viajando a la velocidad de la luz.

     

    El patrón de ondas gravitacionales detectado por LIGO es justo lo que se espera escuchar en las últimas órbitas de dos agujeros negros con una masa unas 30 veces mayor que la de nuestro sol, su fusión en un agujero negro con la masa total y la relajación de éste hasta un estado estable. Sabemos esto por la frecuencia a la que se observan las distorsiones en los láser de LIGO y su variación temporal, ya que la onda oscila más rápido a medida que ambos agujeros negros se acercan. Los detalles técnicos son muy complejos, pero la idea se puede entender con una analogía musical. Sabemos distinguir la misma melodía tocada en distintos instrumentos, ya que, incluso tocando las mismas notas, un contrabajo, un órgano y un trombón son completamente diferentes, y un experto puede incluso distinguir entre ligeras variaciones en el mismo tipo de instrumento. Un punto importante para saber que son agujeros negros (y no otro objeto muy compacto) es por la velocidad de las órbitas: si los objetos fueran más grandes que un agujero negro tendrían que desplazarse más rápido que la luz para reproducir las frecuencias que observamos, lo cual contradice la teoría de Einstein.

     

    Vale la pena detenerse en este punto: LIGO no solo ha detectado ondas gravitacionales, sino que también ha sido capaz de observar dos agujeros negros orbitando y fundiéndose en un agujero negro mayor. Este evento abre una nueva ventana al universo y a los fenómenos más violentos que ocurren en él. Los agujeros negros son los objetos más extremos conocidos, el estado final en la evolución de estrellas tan densas que la gravedad las aísla del resto del universo e impide hasta a la misma luz escapar de su interior. Es muy difícil estudiar estos objetos, ya que por definición no emiten ninguna señal. Pero ahora todo esto puede cambiar, pues hemos ganado un sentido con el que estudiar los agujeros negros, así como otros fenómenos gravitatorios. Ya no solo podemos ver el universo, ahora también podemos escucharlo.

     

    Las pocas pero espectaculares observaciones de ondas gravitacionales que hay hasta la fecha no hacen más que arañar la superficie de lo que puede llegar a ser esta nueva ciencia. Cada nuevo canal de observación al que se ha abierto la astronomía ha dado lugar a descubrimientos sorprendentes e interesantes. Un claro ejemplo es la radioastronomía, que estudia objetos astronómicos a través de las ondas de radio, como las que empleamos para la comunicación con dispositivos móviles. La apertura de los cielos a observaciones a través de ondas de radio dio lugar al descubrimiento de los quasares, objetos tan brillantes y tan distantes que solo pueden ser causados por procesos extremos en galaxias muy lejanas. Se cree que los quasares son la radiación emitida por estrellas y nubes de gas al ser devoradas por agujeros negros inmensos que habitan en el centro de las galaxias, cada uno millones de veces más masivo que nuestro sol. Las ondas gravitacionales nos proporcionarán nuevas pistas sobre los agujeros negros. Pero más allá de observar estos misteriosos seres, o de ganar nueva información sobre otros objetos como las estrellas de neutrones, sin duda lo más vertiginoso es la posibilidad de observar objetos hasta ahora desconocidos.

     

    Más allá de observar fenómenos y objetos en el universo distante, las ondas gravitacionales nos permitirán entender mejor las leyes fundamentales que rigen nuestro universo a nivel microscópico. Y en concreto podremos estudiar propiedades de la que es con diferencia la fuerza peor entendida de la naturaleza: la gravedad. A pesar de ser uno de los fenómenos más cotidianos, de agarrarnos cada minuto de nuestra existencia, la gravedad es sin duda el fenómeno más misterioso de la física fundamental. Una cantidad abrumadora, una fracción mayúscula de los problemas abiertos en física fundamental están conectados de alguna manera a los fenómenos gravitatorios y la naturaleza del espacio-tiempo. La gravedad es parte integral en el entendimiento de problemas que van desde el origen del universo y su destino hasta la descripción microscópica de la gravedad (a través de su unificación con la mecánica cuántica), pasando por la naturaleza de los agujeros negros.

     

    Hablamos de una ciencia que está en su infancia, y por el momento es difícil de imaginar en qué forma concreta el estudio de las ondas gravitacionales nos podrán ayudar a entender estos problemas tan profundos. Aunque es una idea especulativa, es muy posible que las ondas gravitacionales nos ayuden a entender el mecanismo por el que el universo se expande de manera acelerada. Este efecto contradice la naturaleza atractiva de la gravedad predicha por la teoría de Einstein, creando así uno de los grandes misterios de la ciencia contemporánea. Para explicarlo se han propuesto muchos modelos basados en teorías de gravedad alternativas. Éstas permiten que gravedad sea más débil a escalas cosmológicas, permitiendo que las galaxias se alejen cada vez más rápido unas de otras. Pero muchas de estas teorías también predicen modificaciones substanciales en el comportamiento de las ondas gravitacionales. Por ejemplo, una clase muy importante de modelos predicen que estas viajan a velocidades superiores a la luz, haciendo que las señales de eventos lejanos se observen con un lapso entre la señal gravitatoria y su análogo electromagnético. Este test no puede hacerse con agujeros negros, ya que no emiten luz al fusionarse, pero cuando seamos capaces de observar las ondas gravitacionales de objetos luminosos podremos descartar muchos modelos de energía oscura.

     

    La gravedad es única y hemos ganado un sentido con el que poder escucharla. Es la fuerza que da forma al universo, ensambla las galaxias y las agrupa en estructuras aun mayores. La gravedad aparece íntimamente ligada a muchos de los problemas no resueltos por la física contemporánea, algunos tan antiguos como el origen del universo. También está inseparablemente ligada a la naturaleza misma del espacio-tiempo, nos amarra a nuestro planeta y nos limita a viajar a velocidades que son ridículas en la escala de las galaxias. Como el amor, la gravedad es un fenómeno atractivo y universal, a menudo demasiado obvio, débil o inalcanzable como para llamar nuestra atención. Y como esta otra fuerza irresistible, nunca dejará de sorprendernos.

     

     

     

     

    Notas:

     

    1.Para una introducción a la notación en potencias de 10 véase: www.fronterad.com/?q=pequeno-mapa-mundo-en-potencias-diez-i-contando-cifras

     

    2. Problemas no resueltos en física: https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_unsolved_problems_in_physics

     

     

     

    Bibliografía:

     

    Nota de prensa de la colaboración LIGO https://www.ligo.caltech.edu/detection

     

    The Perfect Theory: A Century of Geniuses and the Battle Over General Relativity, de Pedro G. Ferreira.

     

    Gravitational Waves Explained, de Jorge Chan: https://www.youtube.com/watch?v=4GbWfNHtHRg

     

     

     

     

    Miguel Zumalacárregui Pérez es doctor en Física / Ph. D. Physics. Investigador Marie Curie en la University of California at Berkeley y Nordita Fellow – Nordic Institute for Theoretical Physics. En FronteraD ha publicado Pequeño mapa del mundo en potencias de diez (I): Contando cifrasLos neutrinos y el límite de velocidad de Einstein y mantiene el blog Persistencia y serendipia.

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