20/4/2024
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Ondas gravitatorias. Una nueva ventana al cosmos

Con la confirmación de una de las predicciones más importantes de la teoría de la relatividad se abren posibilidades sin precedentes para estudiar el universo

Roger Corcho - 19/02/2016 - Número 22
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Ondas gravitatorias. Una nueva ventana al cosmos
Un científico observa una representación de las ondas gravitatorias durante una rueda de prensa del Instituto Max Planck de Física Gravitacional, en la Universidad Leibniz de Hannover, el pasado 11 de febrero. Julian Stratenschulte / EFE
David Raditz, director ejecutivo del experimento con el que se han captado ondas gravitatorias por vez primera, explicó emocionado que “[LIGO es] el instrumento más preciso jamás inventado por la humanidad”. En su comparecencia del 11 de febrero, Raditz exclamó ante una concurrencia entusiasmada: “¡Lo hemos conseguido!”. 

No se trata de un telescopio ylo que busca no es captar la luz procedente del universo remoto: LIGO —siglas en inglés para Observatorio de Interferometría Láser de Ondas Gravitatorias— va en pos de leves estremecimientos espaciotemporales, casi imperceptibles sacudidas procedentes de cataclismos cósmicos ocurridos hace miles o millones de años. Es la primera señal que se capta del cosmos y que no es —como ocurre con la luz visible— una onda electromagnética.

Luces y sombras

La historia de la astronomía es la historia de la luz y del lento aprendizaje para entender la información que hay contenida en ella. Con los ojos desnudos, los astrónomos griegos lograron resultados espectaculares, como inferir que la Tierra tenía que tener una forma esférica porque su contorno, reflejado en la Luna cuando había un eclipse, era curvo. Con el telescopio, Galileo amplió el universo observable y pudo detectar, por ejemplo, las pequeñas lunas girando alrededor de Júpiter.

Para los astrónomos, oscuridad era equivalente a ausencia de datos y, por tanto, a ignorancia

Más adelante se descubrió que, además de la luz visible, existían otros tipos de ondas electromagnéticas, como los rayos ultravioleta, los rayos X o las microondas. La humanidad, debido a las limitaciones de la percepción humana, se había conformado con ver una estrecha franja de la realidad a la que da acceso la luz visible. Con instrumentos especialmente diseñados —como los radiotelescopios— se pudo recoger y analizar toda esa abundante información que había quedado hasta entonces fuera de los umbrales de acceso y con la que se contribuyó a completar la imagen del universo.

A principios del siglo XX, con el telescopio del Monte Wilson, Edmund Hubble averiguó que había otras galaxias además de la Vía Láctea y que se estaban alejando entre sí a gran velocidad. Uno de los últimos grandes logros fue la captación del fondo cósmico de microondas, el resto fósil de la primera luz que emitió el universo cuando este apenas tenía 300 mil años de antigüedad.

Palpando los límites

La luz ha sido la única fuente de información para los astrónomos. Sin embargo, esta aproximación al universo tiene unos límites muy bien definidos. La luz nunca va a dar información sobre agujeros negros, por ejemplo, ni sobre ningún otro objeto que no emita luz. Por otro lado, aunque la información que los astrónomos han recabado sobre el pasado del universo ha sido muy relevante, nunca se podrá traspasar el muro del fondo cósmico de microondas. Antes de esa época, el universo no emitía luz —la temperatura y la densidad eran tan elevadas que los fotones quedaban atrapados en los átomos y el conjunto formaba un plasma impenetrable para la luz—, de modo que esa época inicial quedó a oscuras. Para los astrónomos, oscuridad es equivalente a ausencia de datos y, por tanto, a ignorancia.

La esperanza de obtener una nueva fuente de información se encontraba en la teoría de la relatividad de Einstein: según esta teoría, cualquier cuerpo acelerado —como un planeta girando alrededor de una estrella— emitiría unas vibraciones que serían como ondas en el espaciotiempo. Según la propia teoría, serían tan tenues que serían casi imperceptibles.

Un universo entre las sábanas

Si cuando estamos acurrucados en la cama tensamos la sábana con la que nos cubrimos con la punta de los dedos de los pies, veremos que se forma una superficie plana y suave. Si encima de la tela colocamos un bolígrafo o una libreta, la sábana vibrará y se hundirá ligeramente dejando que el objeto se aposente. La sábana ya no será perfectamente lisa, sino que una ligera depresión rodeará cada uno de los objetos que vayamos situando en dicha superficie. Es parecido a un paisaje con sus valles y planicies.

Esta sábana es la representación, en dos dimensiones, de la manera en la que Einstein invitó a entender la geometría del espaciotiempo. En lugar de dos dimensiones, hay que imaginar una sábana tridimensional a la que se debe que añadir el vector tiempo. Entendido desde la relatividad, el cosmos es esta sabana que se curva ante los objetos masivos. Bajo presiones colosales, el tejido puede llegar a romperse formándose un agujero negro.

El espacio no puede ni verse ni tocarse, y la imaginación poco puede hacer para ayudar a visualizar las curvaturas tridimensionales. Pero allí donde la intuición no alcanza, llegan las matemáticas. Con ellas es posible establecer todos los parámetros y características de esta red de interacciones entre la materia y el espacio con una exactitud pasmosa. La teoría de la relatividad describe las matemáticas de esa geometría curva, y cada consecuencia extraída de dicha teoría ha acabado confirmándose.

La expedición de Eddington de 1919 fue la primera gran confirmación de la relatividad, la que labró la fama de Einstein, le llevó a la portada de la revista Time y al estrellato mundial. Se sabía que los rayos de luz procedentes de estrellas lejanas, al pasar cerca del Sol, tenían que curvarse. Como durante un eclipse, podían observarse las estrellas que quedaban a espaldas del Sol y determinar su posición. Eddington y sus expedicionarios viajaron hasta la isla de Príncipe (África) para observar un eclipse. Calcularon —ahora se sabe que con numerosas imprecisiones—  la posición de las estrellas y se dieron cuenta de que su situación variaba por la noche. Eso significaba que los rayos de luz procedentes de tales estrellas se habían curvado al pasar cerca del Sol.

Las ondas gravitatorias constituían la última de las grandes predicciones de la relatividad que se resistía a confirmarse.

“Las ondas gravitatorias son una predicción ineludible de la teoría de la relatividad general, de la misma manera que las ondas electromagnéticas son una consecuencia directa de la teoría electromagnética de Maxwell”, explica David Galadí-Enríquez, astrónomo de Calar Alto. También un reconocido divulgador —conocido con el seudónimo de Perito en Lunas, como el  libro del poeta Miguel Hernández— explica a AHORA que “la gravitación es una interacción física mucho más débil que la electromagnética, por esta razón la detección de ondas electromagnéticas fue relativamente sencilla. Pero la detección directa de las ondas gravitatorias ha requerido refinamientos técnicos acumulados a lo largo de muchas décadas”.

Un oleaje constante

Una onda gravitatoria perturba el propio espacio-tiempo. Si una de estas ondas atraviesa un objeto, lo estirará a lo ancho y lo comprimirá a lo largo. Es una alteración minúscula —son cambios mucho más pequeños que las dimensiones de un protón— y casi imperceptible. Todos los cuerpos en aceleración generan este tipo de ondas, de modo que hay un constante oleaje, aunque sea un ruido imposible de detectar para la tecnología actual. Sin embargo, autores como Kip Thorne —que explicó con gran detalle el trasfondo de tales ideas con gran detalle cuando estuvo en Madrid impartiendo una conferencia en 2011— han seguido empeñados en que estas ondas podrían captarse si proceden de grandes cataclismos, como dos agujeros negros colisionando y fusionándose. En un acontecimiento tan violento se removería el esqueleto del universo hasta las entrañas, y la señal, aunque igualmente débil, estaría al alcance de los instrumentos de que se dispone.

La detección de las ondas gravitatorias es la primera prueba de la existencia de los agujeros negros

Desde principios de siglo se inició una gran ofensiva para captar dichas ondas. Se recurrió a interferómetros, unos instrumentos
—viejos conocidos de los físicos— que han alcanzado un nivel de precisión extraordinario. Son dispositivos como los que constituyen LIGO, y están formados por dos túneles de varios kilómetros cada uno que forman una L. Al final de los dos túneles hay unos espejos suspendidos en el vacío. Al lanzar un láser que atraviesa un cristal situado en el vértice de la L, el láser se bifurca y recorre los dos túneles a la vez. Al llegar al extremo de cada una de las ramas, el láser rebota con el espejo y retorna. Los láseres han de regresar siempre de forma simultánea. Si no lo hacen, quiere decir que ha habido una perturbación. Como las ondas gravitatorias modifican la longitud y la anchura, esto afecta al camino recorrido por el láser en cada uno de los brazos, de modo que los láseres dejarán de estar sincronizados.

Para evitar falsos positivos  —son instrumentos tan sensibles que el paso de un tren o la vibración de la Tierra debido a un terremoto en el otro extremo del globo pueden afectar a las mediciones— se construyeron dos interferómetros, de 4 km de longitud cada uno. Uno se colocó en el estado de Washington y el otro en Luisiana. Un fenómeno local solo se observaría en uno de los interferómetros. Una onda gravitatoria, en cambio, afectaría a ambos instrumentos.

El 14 de septiembre de 2015 estos dos detectores captaron con una diferencia de milisegundos entre ellos una perturbación. Una vez excluido que se tratara de una contaminación o un error, el análisis de la información recibida ha permitido establecer que su origen fue la fusión de dos agujeros negros. Es la primera prueba directa de que existen agujeros negros. Será la primera de muchas buenas noticias que seguirá trayendo este tipo de observatorios. Al ser una nueva ventana al cosmos, casi todo está, como quien dice por descubrir.

Un futuro esplendoroso

Roger Corcho
Europa cuenta con varios observatorios para detectar ondas gravitatorias: Geo600, en Alemania, o Virgo, cerca de Pisa. Japón tampoco se queda atrás, y a partir del año que viene contará con el observatorio KAGRA. Con LIGO, la red de observatorios de ondas gravitacionales está cada vez más poblada.

Los observatorios terrestres sufren el problema de las constantes microvibraciones, que afectan inevitablemente a la exactitud de las mediciones. Para evitarlas, la Agencia Espacial Europea ha puesto en marcha la instalación de un interferómetro en el espacio. Conocido como proyecto LISA, se prevé que entre en funcionamiento en 2030.

“Igual que hay diferentes tipos de luz —rayos X, infrarroja, radio...—, y para hacer astronomía con cada tipo de luz se necesita un instrumento diferente, hay también diferentes tipos de ondas gravitatorias de diferentes frecuencias, que aún no hemos bautizado”, explica Carlos F. Sopuerta, investigador del CSIC y participante en el desarrollo de LISA. “La ondas gravitatorias de alta frecuencia se pueden detectar desde tierra, mientras que desde el espacio se puede captar la baja frecuencia. Eso nos permitirá ver agujeros negros con masas muy grandes —como el agujero que se cree que ocupa el centro de nuestra galaxia—, o bien las ondas gravitatorias del universo primitivo. También será posible captar sistemas binarios de estrellas con periodos muy cortos”, explica este científico, integrante del Instituto de Ciencias del Espacio (Bellaterra). “El programa científico de investigación desde el espacio es muy rico, y será diferente al que se va a desarrollar desde suelo firme.”

Las ondas gravitatorias permitirán conocer muchos detalles del universo que habían quedado ocultos: “Se podrá comprobar si la estructura detallada de los agujeros negros es tal como se sigue según la relatividad general”. Con futuros observatorios más precisos, será posible contrastar también teorías como la inflación cósmica. “Estos modelos tan bien fundamentados en distintas teorías no dejan de ser propuestas, a partir de ahora podrán acotarse.”