Recreación artística de dos estrellas de neutrones comisionando, produciendo ondas gravitacionales. Imagen: NASA.

David Reitze, director ejecutivo del LIGO, subió al estrado de la Academia Nacional de la Prensa en Washington para pronunciar las palabras que todo el mundo estaba deseando oír: “Hemos descubierto las ondas gravitacionales”. Y en un auditorio repleto del Caltech, en Pasadena, con streaming en vivo, todos comenzaron a aplaudir entusiasmados.

Escenas similares se repitieron, probablemente, en el MIT, en Livingston, en Louisiana, Hanford, Washington y en Europa, dado que LIGO supone una colaboración internacional de mil millones de dólares con cientos de científicos. Han hecho falta 100 años para llegar a este momento. Einstein predijo la existencia de las ondas gravitacionales con su teoría general de la relatividad en 1915, aunque varios físicos descubrieron evidencias de ellas en los 70 y los 80. La detección directa, sin embargo, había resultado ser bastante elusiva hasta hoy. La historia de las ondas gravitacionales y lo que van a ser capaces de aportarnos es solo el principio.

El principio

Sucedió así: el 14 de septiembre de 2015 a las 5:51 EST los detectores LIGO de Livingston y Hanford detectaron una señal con apenas milisegundos de diferencia (7). Las formas de onda de esas señales se asemejaban mucho con las predicciones simuladas hasta la fecha (ver imagen de la izquierda).

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Digamos que es como una huella dactilar auditiva, similar a las que los físicos que estudian las partículas subatómicas en el LHC utilizan para identificarlas. Y es exactamente lo que esperaban encontrar si dos agujeros negros, cada uno con una masa 30 veces la de nuestro Sol, colisionasen en espiral hasta fusionarse, enviando poderosísimas ondas de choque a través del espacio-tiempo, hace unos 1.300 millones de años.

La señal fue tan limpia, de hecho, que Reitze temió inicialmente que todo fuese demasiado bueno como para ser cierto. A Alan Weinstein, que dirige LIGO en Caltech, le ocurrió algo similar. Después de todo, en las etapas tempranas de LIGO, los responsables del proyecto habían introducido de manera deliberada señales falsas en el flujo de datos para poner a prueba el rigor científico del análisis. Aún con sus colegas asegurándole que esta nueva señal no correspondía a un test de doble ciego, Weinstein no acababa de creerlo. Llegó a preguntarse si no era el trabajo de un miembro del equipo disgustado a modo de venganza.

Quizá era, en cambio, el trabajo de un genio del mal: “No podemos descargar la hipótesis de que todo sea obra de una mente retorcida” bromeó durante la rueda de prensa de Caltech “Hemos hecho nuestro mejor trabajo intentando descartarla, así que me gusta pensar que en realidad estamos hablando de la colisión de dos agujeros negros”.

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Tan solo a partir de esa señal, los físicos pudieron interferir las masas de ambos agujeros negros estudiando la frecuencia (uno era 29 veces la masa del Sol, otro 36). Tras la fusión, al agujero negro recién formado resultante le faltaban unas 3 masas solares, emitidas en forma de poderosas ondas gravitacionales. Imagina 3 de nuestros soles aniquilándose de repente al mismo tiempo y tendrás una idea aproximada de la cantidad absurda de energía de la que estamos hablando. Estudiar la amplitud de onda les permitió averiguar que la colisión ocurrió hace unos 1.300 millones de años en el hemisferio sur.

Así que el descubrimiento supone no sólo la primera detección directa de las ondas gravitacionales, sino también la primer prueba de que los sistemas binarios de agujeros negros realmente existen. Toda esa información se obtuvo durante una prueba para ingenieros justo después de que el nuevo LIGO, más avanzado, volviese a estar en marcha. Ni siquiera está todavía buscando al máximo de su sensibilidad. Cuando eso ocurra, los físicos esperan observar muchísimos eventos de esto tipo, dándonos una nueva ventana a cómo funciona el universo. De hecho, Weinstein también precisó que 12 nuevos papers relativos al trabajo de LIGO serían publicados al final de ese mismo día.

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Eso convierte a LIGO en “un nuevo instrumento para observar tipos de radiación distinta que nos llegan desde el cielo” según Bill Weber, físico en la Universidad de Trento y miembro de LISA Pathfinder.

El universo oscuro

La primera detección es muy importante en términos de física fundamental por todo lo que dice sobre la gravedad, pero también abre una ventana a lo que hasta ahora se conocía como universo oscuro” amplía Avery Broderick, físico en el Instituto Perimeter y en la Universidad de Waterloo, Canadá “Durante siglos, los astrónomos han estado mirando al cielo y pensando en torno al lado luminoso del universo. Ahora vamos a obtener un primer vistazo del otro lado, del oscuro. Y todo el mundo espera que sea igualmente de enriquecedor y excitante”.

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Piensa en lo potencialmente revolucionario que podría llegar a ser de este modo: cada vez que los astrónomos han mirado el universo utilizando diferentes tipos de luz (Rayos X, Infrarrojos o rayos gamma) han descubierto aspectos e información que de otro modo habría permanecido invisible. Las ondas gravitacionales funcionarán de manera parecida, aunque de un modo que se acerca más al sonido que a la luz. Ahora, además de mirar el universo, también podremos escucharlo. Como Jorge Cham de PhD Comics explica de manera elocuente en este cómic: “imagina que hubieses sido sordo toda tu vida hasta que de repente alguien te restaura la capacidad de oír”.

La diferencia clave es que mientras que el sonido requiere un medio por el que viajar, las ondas gravitacionales mueven el propio medio, en este caso el espacio-tiempo en sí. “Lo que hacen, es literalmente, contraer y expandir el tejido del espacio-tiempo” dice Chiara Mingarelli, astrofísica especializada en ondas gravitaciones del Caltech, a Gizmodo. Para nuestros oídos, las ondas detectadas por LIGO suenan como un “chirp”.

LIGO no está solo, así son el resto de sensores

¿Cómo va a suceder esta revolución, exactamente? LIGO tiene dos detectores, que actúan como “orejas” para los científicos, y más detectores se activarán en un futuro. Y aunque sí, LIGO ha sido el primero en términos de detección (que era lo que todo el mundo esperaba), no es el único que importa. Hay más de un tipo de ondas gravitacionales. De hecho, hay un espectro entero, del mismo modo que hay diferentes tipos de luz, de diferentes longitudes de onda, en el aspecto electromagnético. Así, hay otro tipo de colaboraciones destinadas a cazar las frecuencias que van más allá de lo que LIGO está diseñado para detectar (en el régimen de milisegundos).

Imagen: NanoGRAV

NanoGrav

Mingarelli trabaja con el NanoGRAV (North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves), parte de un consorcio internacional más grande que también incluye el European Pulsar Timing Array y el Parkes Pulsar Timing Array en Australia. Como el propio nombre implica, los científicos de NanoGRAV están buscando ondas gravitacionales de muy baja frecuencia en el régimen de 1 a 10 nanohercios. La sensibilidad de LIGO es en la porción de kilohercios (audible) del espectro. Eso implica longitudes de ondas muy largas, de hecho, podría tomar hasta 10 años completar un solo ciclo.

La colaboración se apoya en los datos de púlsar recogidos por el observatorio de Arecibo en Puerto Rico y el Green Bank Telescope de West Virginia. Los púlsares son, en esencia, estrellas de neutrones rotando muy rápidamente y se forman cuando estrellas más masivas que el Sol explotan y se contraen. Giran más y más rápido conforme se encogen, del mismo modo que un peso al final de una cuerda atada a un palo gira más y más rápido conforme la cuerda se va acortando.

También emite poderosos pulsos de radiación conforme gira, del mismo modo que el haz de luz de un faro, y que son detectados como pulsos de luz aquí en la Tierra. Esas rotaciones periódicas son extraordinariamente precisas, hasta hace poco de hecho tan precisas como un reloj atómico. Eso las convierte en detectores cósmicos ideales de ondas gravitacionales. De hecho, la primera prueba indirecta de la existencia de las ondas vino a partir de estudiar púlsares en 1974, cuando Joseph Taylor Jr. y Russell Hulse encontraron que un púlsar orbitando una estrella de neutrones se estaba encogiendo poco a poco con el tiempo, un efecto que un sólo espera ver si este convierte parte de su energía en forma de ondas gravitacionales.

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En el caso de NanoGRAV, la principal evidencia tendría forma de efecto trémulo. Los pulsos deberían llegar al mismo tiempo, pero si son impactados por una onda gravitacional llegarán un poco antes o un poco después, porque el espacio tiempo se contrae o se expande conforme pasa la onda.

Los PTAs (Pulsar Timing Arrays) son especialmente sensibles a las ondas gravitacionales producidas por agujeros negros super masivos en fusión que tiene mil millones o diez mil millones la masa del Sol, los mismos que se sospecha que existen en el centro de las galaxias más grandes. Si dos galaxias de ese tipo se fusionan, así lo harían los dos agujeros negros en su interior, emitiendo ondas gravitacionales. “LIGO ve el final mismo de la fusión cuando ambos sistema están muy próximos” amplía Mingarelli “con los PTAs, en cambio, los veríamos en la etapa temprana, de espiral, justo cuando comienzan a orbitar entre ellos”.

LISA Pathfinder

Luego está la misión espacial conocida como LISA (Laser Interferometer Space Antenna). En la tierra, LIGO es genial para detectar ondas gravitacionales equivalentes a la porción humana del espectro auditivo, las mismas que acabamos de descubrir. Pero muchas fuentes interesantes de este tipo de onda suceden en frecuencias más bajas, así que los físicos han de lanzarse al espacio para detectarlas. El objetivo principal de la misión LISA Pathfinder (lanzada en noviembre) es validar la tecnología del detector. “Con LIGO, puedes apagar el instrumento, romper el vacío que contiene y arreglarlo” dice Scott Hughes del MITSi la fastidias en el espacio, en cambio, se acabó. Tienes que tenerlo todo en orden desde el mismo principio”. Tal y como escribió Maddie Stone en Gizmodo en diciembre:

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El objetivo de LISA es muy simple: usar interferómetros laser, de modo que la nave podrá intentar medir de manera muy precisa las posiciones relativas de dos cubos de oro-platino de 1,8 pulgadas en caída libre. Se albergan en dos cajas de electrodos separadas a unas 15 pulgadas. Los objetos en cuestión estarán escudados del viento solar y otras fuerzas, de modo que (con suerte) podremos detectar el movimiento que producen en ellos las ondas gravitacionales.

BICEP2 y Planck

Finalmente, hay dos experimentos dedicados a encontrar las huellas dejada por las ondas gravitacionales primordiales en la radiación de fondo de microondas (un eco del Big Bang): BICEP2 (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization 2) y la misión del satélite Planck. BICEP2 fue el primero que, trágicamente, declaró en 2014 que había encontrado evidencia de las ondas gravitacionales, pero las señales pertenecían en realidad a polvo cósmico.

Ambas colaboraciones en cualquier caso siguen en a la caza, con la esperanza de encontrar información sobre los orígenes de nuestro universo, y aportando con suerte confirmación de una predicción clave de la teoría inflacionaria. Esta teoría predice que, poco después de su nacimiento, el universo pasó por un crecimiento muy acelerado que tuvo que haber producido ondas gravitacionales muy poderosas dejando una huella en la radiación de fondo de microondas con forma de una orientación especial de las ondas de luz (polarización).

Cada una de estas cuatro ondas gravitacionales les dará a los científicos cuatro nuevas ventanas al universo.

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Pero como sabemos lo que todos estáis pensando (“¡¿Cuando vamos a poder viajar por el espacio tiempo?!) ¿Significa LIGO que vamos a poder apuntarnos a la academia espacial la próxima semana? “Creo que la respuesta es un ‘no’ inequívoco” dice Broderick “pero cuanto mejor entendamos la gravedad, mejor podemos imaginar cómo definirla. Eso es lo que los científicos hacen. Intentan entender cómo funciona el universo, para que podamos optimizar nuestra habilidad de doblegarlo a nuestra voluntad dentro de sus normas

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