Desde el principio de los tiempos hemos observado el universo a través de la luz. Casi todo lo que sabemos de él proviene de las ondas electromagnéticas, captadas a través de los telescopios que ven más allá de nuestros ojos. Imagina que encontrásemos otro tipo de ondas para estudiar el cosmos. Ese día ha llegado.

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Qué son las ondas gravitacionales

Hace cien a√Īos, Albert Einstein estableci√≥ que todo lo que tenga energ√≠a, aunque no podamos verlo, tambi√©n gravita. Con su teor√≠a de la relatividad general, Einstein nos hizo entender la gravedad como una deformaci√≥n geom√©trica del espacio-tiempo, el ‚Äútejido‚ÄĚ del que est√° hecho el universo, por efecto de los cuerpos que se mueven sobre √©l.

La idea se suele comparar con una cama el√°stica. Si arrojas una pelota, el lienzo se curvar√° en mayor o menor medida dependiendo de su peso (m√°s bien, de su masa). Pero adem√°s, si nos subimos a la cama el√°stica con un amigo y empezamos a girar en c√≠rculos cogidos de la mano, se producen peque√Īas vibraciones que pueden sentirse al otro lado del lienzo flexible. Lo mismo pas√≥ hace 1.300 millones de a√Īos, pero en lugar de dos amigos eran dos agujeros negros que colisionaron con una violencia espectacular, y en vez de una cama el√°stica curvaron el espacio tiempo, desde entonces hasta nuestros d√≠as.

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Las ondas gravitacionales son las vibraciones que causan esos objetos lejanos. Ondulaciones que pueden propagarse por el espacio-tiempo a la velocidad de la luz. Sólo que la gravedad es una interacción muy débil comparada con otras interacciones fundamentales del universo, como las ondas electromagnéticas, así que necesitamos que ocurra un fenómeno de una energía enorme para poder detectar las vibraciones desde la Tierra.

‚Äú√Čsta es la raz√≥n fundamental de que haya sido imposible detectarlas pese a varias d√©cadas de esfuerzos experimentales y econ√≥micos: para detectarlas debemos ser capaces de medir variaciones extremadamente peque√Īas en distancias muy grandes‚ÄĚ nos explica Carlos Barcel√≥, investigador del Instituto de Astrof√≠sica de Andaluc√≠a y experto en gravitaci√≥n. ‚ÄúEstas ondas solamente las producen en cantidades apreciables fen√≥menos que involucran grandes aglomeraciones de materia en espacios relativamente reducidos: choques y colapsos estelares, etc√©tera‚ÄĚ.

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Hasta ahora s√≥lo hab√≠amos conseguido una prueba indirecta de la existencia de las ondas gravitacionales: la ca√≠da del periodo orbital en un p√ļlsar binario (un sistema de estrellas que produce pulsos electromagn√©ticos en intervalos regulares y que, seg√ļn las ecuaciones de Einstein, debe producir una fuerte radiaci√≥n gravitatoria). El descubrimiento de los p√ļlsares binarios, y todo lo que conllev√≥ en el estudio de la gravitaci√≥n, les vali√≥ el premio Nobel de 1993 a los f√≠sicos Russell Hulse y Joseph Hooton Taylor.

Hoy esa etapa queda atrás. Ahora podemos hablar de la detección directa de ondas gravitacionales y de una nueva era para la física y la astronomía.

¬ŅNo las hab√≠amos detectado ya?

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Einstein predijo la existencia de las ondas gravitacionales en 1915, pero cre√≠a que eran extremadamente d√©biles e imposibles de encontrar. Ten√≠a raz√≥n: sus ideas eran demasiado adelantadas a su tiempo y no ten√≠amos la tecnolog√≠a necesaria para detectar las ondas. Ni la hemos tenido hasta ahora, cien a√Īos despu√©s.

A principios de los 90, los físicos consideraron que la tecnología había evolucionado lo suficiente para detectar ondas gravitacionales y empezaron a desarrollar proyectos como el LIGO. Se equivocaron. No fue hasta marzo de 2014 que alguien gritó eureka. Los físicos del Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica anunciaron la primera detección de ondas gravitacionales en la Antártida: provenían del Big Bang. El anuncio fue recibido como el hallazgo del siglo; incluso vimos a uno de los autores de la teoría de expansión del universo brindando entre lágrimas por la confirmación empírica de su teoría.

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Pero todo fue una falsa alarma. Un análisis del conjunto de datos por parte de la sonda Planck de la Agencia Espacial Europea y el telescopio BICEP2 de la NASA confirmó que no había pruebas concluyentes para respaldar el descubrimiento. Las ondas gravitacionales fueron confundidas con el polvo interestelar de nuestra galaxia, que puede producir un efecto similar al de las ondas.

Qué ha pasado hoy

Observatorio del LIGO en Washington

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Desde Washington DC, en una rueda de prensa cargada de expectaci√≥n, los cient√≠ficos del LIGO han confirmado los rumores que llevan revoloteando desde enero. El equipo ha conseguido detectar las ondas gravitacionales producidas por la fusi√≥n de dos agujeros negros, de 36 y 29 veces la masa del Sol respectivamente. ‚ÄúEs uno de los descubrimientos m√°s fundamentales de la historia‚ÄĚ nos dice Luis √Ālvarez-Gaum√©, director del grupo de f√≠sica te√≥rica del CERN. ‚ÄúEn unas d√©cimas de segundo en este evento se radiaron el equivalente de tres masas solares en ondas gravitacionales. Es el objeto m√°s energ√©tico jam√°s observado‚ÄĚ.

Esta vez parece improbable que sea una falsa alarma. Los investigadores del LIGO llevan meses trabajando para confirmar que esta primera detecci√≥n de ondas gravitacionales, que ocurri√≥ el 14 de septiembre a las 5:51 am en ambos detectores, es real. El hallazgo tiene un nivel de confianza de 5,1 sigma. Seg√ļn el est√°ndar cient√≠fico, supone que hay una posibilidad de error en tres millones.

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Qué es el LIGO

El LIGO (siglas en ingl√©s del ‚ÄúObservatorio de interferometr√≠a l√°ser de ondas gravitacionales‚ÄĚ) es un proyecto conjunto del MIT y Caltech, los dos institutos tecnol√≥gicos m√°s importantes de Estados Unidos, financiado principalmente por la Fundaci√≥n Nacional para la Ciencia, una agencia gubernamental. Son dos observatorios funcionando a la vez para poder despreciar las falsas detecciones: uno est√° en Livingston, Luisiana, y el otro en Hanford, Washington.

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La primera generaci√≥n del LIGO empez√≥ a funcionar en 2002 y se apag√≥ en 2010 sin haber detectado ondas gravitacionales. Los observatorios no ten√≠an la sensibilidad suficiente para detectar la d√©bil radiaci√≥n gravitatoria en un universo en el que los √°tomos vibran incluso por efecto de la temperatura. Dos agujeros negros que colisionan en una galaxia distante producen en la Tierra unos desplazamientos del orden de una billon√©sima parte del di√°metro de un √°tomo. Son ondulaciones m√°s peque√Īas que un prot√≥n.

‚ÄúSe sab√≠a desde el principio de dise√Īo de LIGO que la detecci√≥n directa de una onda gravitacional requer√≠a de unos niveles de sensibilidad sin parang√≥n‚ÄĚ comenta Carlos Barcel√≥. En los √ļltimos cinco a√Īos, cient√≠ficos e ingenieros han trabajado en construir un nuevo ‚ÄúLIGO avanzado‚ÄĚ, con l√°seres m√°s potentes y un sistema mejorado para aislar el experimento de las vibraciones del suelo. Comenz√≥ a operar en septiembre de 2015, con cinco veces la sensibilidad del original. Ese mismo mes detect√≥ las ondas de las que hablamos hoy.

Cómo se detectan ondas gravitacionales

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El principio que se usa para detectar las ondas gravitacionales es sorprendentemente simple: si existen, entonces la distancia entre dos puntos debería alargarse y contraerse cada vez que pasa una onda. Y así es: la curvatura del espacio funciona como las fuerzas de marea, pero sólo podemos detectarla cuando ocurre un fenómeno suficientemente enérgico y suficientemente cercano (cuanto más lejos estén los objetos, menos ondas gravitacionales nos llegan).

Para medir estas vibraciones del espacio-tiempo necesitamos usar la luz, cuya velocidad es constante. Cada observatorio del LIGO consta de dos t√ļneles perpendiculares de cuatro kil√≥metros por los que se disparan l√°seres muy precisos. Cuando estos t√ļneles son atravesados por una onda gravitatoria, uno se alarga y el otro se contrae. Sabemos que la luz tiene propiedades de onda, as√≠ que superponer los dos haces del l√°ser y estudiar sus interferencias nos permite medir las variaciones de los t√ļneles y, dado el caso, detectar las ondas gravitacionales.

No es nada f√°cil. Es como intentar comprobar si un palo de 1.000.000.000.000.000.000.000 metros se ha encogido o extendido 5 mil√≠metros. Pero hay una barrera a√ļn mayor: el ruido del entorno, especialmente las vibraciones s√≠smicas de la Tierra. Un terremoto o un simple tren pueden alterar los resultados. Por eso han nacido proyectos paralelos al LIGO, como el sat√©lite LISA Pathfinder de la Agencia Espacial Europea: una antena que intentar√° detectar ondas gravitacionales en el espacio. Tambi√©n hay otros detectores terrestres como VIRGO en Italia, GEO en Alemania y TAMA en Jap√≥n.

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Qué va a cambiar con este descubrimiento

Einstein predijo las ondas gravitacionales hace cien a√Īos como parte de una nueva f√≠sica: la teor√≠a de la relatividad. Los f√≠sicos te√≥ricos no han conseguido refutar sus ideas y seguimos usando sus ecuaciones para entender el universo. Ahora por fin sabemos que ten√≠a raz√≥n: las ondas gravitacionales existen.

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No se trata sólo de la confirmación de algo que ya nos encajaba con matemáticas. El hallazgo abre la puerta al estudio práctico de algunos de los fenómenos más violentos y energéticos del universo. Ya hemos sido capaces de detectar la fusión de dos agujeros negros, pero los astrofísicos también piensan que podemos observar estrellas supergigantes explotando como supernovas, estrellas de neutrones colisionando con otras o restos de radiación gravitacional creados en el origen del universo.

La √ļltima es una de las promesas m√°s emocionantes de esta nueva f√≠sica: la detecci√≥n de ondas gravitacionales nos abre la puerta al nacimiento del universo y a todo aquello que no podemos ver. En 1798, Laplace ya teorizaba sobre los agujeros negros, una fuerza de gravedad tan fuerte que las part√≠culas de luz no podr√≠an escapar de ella. Eso mismo ocurri√≥ tras el Big Bang hace 13.800 millones de a√Īos: la luz no pod√≠a escapar de la densidad de aquel universo primitivo y s√≥lo la radiaci√≥n gravitatoria puede confirmarnos hoy lo que sucedi√≥ realmente.

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Escuchar los ‚Äúsusurros‚ÄĚ del espacio-tiempo abre una nueva f√≠sica, pero tambi√©n una nueva astronom√≠a: las ondas gravitacionales nos pueden explicar lo que las ondas electromagn√©ticas no saben. El equivalente a calcular d√≥nde ha ca√≠do la piedra si observamos las ondas conc√©ntricas de un gran estanque.

Por qué es un día histórico para la ciencia

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La teor√≠a de Einstein ya nos encajaba, y hab√≠amos detectado ondas gravitacionales indirectamente. Pero ahora sabemos que existen ¬ŅPor qu√© es tan importante el hallazgo? ‚ÄúEs como si una persona que ha sido ciega desde su nacimiento se operara y pudiera ver‚ÄĚ dice Carlos Barcel√≥. ‚Äú√Čl sab√≠a que la gente hablaba de la existencia de la Luz, incluso podr√≠a conocer las ecuaciones de Maxwell, pero de ah√≠ a ver hay un enorme trecho‚ÄĚ.

Nuestra visi√≥n del cosmos cambia por completo. En los pr√≥ximos a√Īos conseguiremos ‚Äúver‚ÄĚ cada vez mejor hasta tener una nueva y desconocida imagen del universo. ¬ŅC√≥mo opera la gravedad en situaciones extremas, sigue las reglas de la relatividad general o se desv√≠a de ellas? Podr√≠amos empezar a ver las zonas oscuras del universo, que aportan casi tres cuartas partes de su energ√≠a. ‚ÄúHabr√° sin duda m√°s sorpresas que confirmaciones‚ÄĚ concluye Carlos.

‚ÄúEs algo extraordinario‚ÄĚ expresa Luis √Ālvarez-Gaum√©. ‚ÄúHa llegado el momento de hacer f√≠sica experimental con agujeros negros‚ÄĚ.

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Imagen: R. Hurt - Caltech / JPL

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