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Publicado el 7 Marzo, 2016 por Toni Pradas en Ciencia
 
 

ASTROFÍSICA: Sinfonía del Universo

(Foto: RT / WIKIPEDIA.ORG / UMASS.EDU)

(Foto: RT / WIKIPEDIA.ORG / UMASS.EDU)

Por TONI PRADAS

La cerveza no alcanzó para celebrar la noticia y aun después de la resaca, la comunidad científica no hace otra cosa que hablar de lo mismo. Algunos circularon con un creyón la fecha en el calendario: jueves 11 de febrero de 2016, porque desde entonces comenzó para ellos el Año Cero de la Nueva Era de la Física, el antes y después de una civilización cautivada por el misterio del origen del Universo, el parteaguas de una larga faena que es mirar al infinito hasta que duelen las siete vértebras de la cerviz.

Rara vez una noticia científica ocupa la primera plana de centenares de publicaciones. Y, sí, lo merece. El equipo del Observatorio de Interferometría Láser de Ondas Gravitacionales (LIGO, por sus siglas en inglés), de Estados Unidos, confirmó el reciente Día Cero del Año Cero la detección de las ondas gravitacionales.

Es decir, fue un descubrimiento, aunque es más preciso decir que fue una confirmación. La existencia de estas ondas ya había sido vaticinada por Albert Einstein en su Teoría de la Relatividad General. O para ser exactos, como consecuencia de esta.

Cien años hubo que esperar para que se comprobara la suposición. Como dicen los libros, el 25 noviembre de 1915 el físico alemán presentó ante la Academia Prusiana de Ciencias, en Berlín, esa teoría que cambió la forma de ver el cosmos, o al menos la manera en que los físicos son capaces de entenderlo.

Así fue como aquel judío, quien habitualmente mantuvo un desdén por la autoridad y un ego indestructible, se convirtió en uno de esos faraones del conocimiento que él siempre ignoró.

De golpe, adelantado ya el curso de la Física en al menos 20 años, la comunidad científica pasó de estar como pescado en tarima, a sentirse como pez en el agua en la comprensión del cosmos.

Mientras, los jóvenes se apropiaban de un ídolo que no era un actor o un rockero, aunque mucho se les pareciera –de ahí el desaliñado Einstein en bicicleta, tocando violín o sacando la lengua al fotógrafo– a pesar de que pocos entendían la moña de su discurso.

Vista de los gráficos de datos del proyecto LIGO durante la rueda de prensa en Washington, sobre la demostración de la existencia de las ondas gravitacionales.

Vista de los gráficos de datos del proyecto LIGO durante la rueda de prensa en Washington, sobre la demostración de la existencia de las ondas gravitacionales. (Foto: SHAWN THEW / EFE)

Se puede decir, escuetamente como una etiqueta de medicamento, que la Teoría General de la Relatividad predice que la aceleración de grandes masas en el Universo libera energía en forma de ondas que curvan el espacio-tiempo, y estas moverían todos los objetos que encuentran a su paso como a boyas en el mar.

Demostrar la existencia de ondas gravitacionales era el último reto pendiente de la teoría de Einstein. Aun así, durante décadas fueron casi ignoradas y hasta algunos científicos dudaron de su existencia. Otros, entre ellos el mismísimo Einstein, pensaron que como se originan demasiado lejos serían imperceptibles al llegar a nosotros y nunca se podrían detectar.

Tormentas salvajes; leves hormigueos

Los cuerpos con mayor gravedad del Universo –pensemos en dos agujeros negros que orbitan juntos hasta atraerse y fusionarse– deberían generar distorsiones tan violentas que no hay razón suficientemente aplastante como para negar que puedan registrarse. ¡Si no fueran tan débiles esas ondas!, se lamentaban los astrofísicos.

Para entender cómo funcionan, basta suponer el espacio como una gran sábana –si se quiere, negra con estrellas y galaxias estampadas– bien estirada, a pocos metros del suelo. Si apoyamos algo con mucha masa (se me antoja un balón) sobre ese “universo”, la tela alrededor de ese objeto se hundiría. Y si ponemos otro cuerpo de menor masa, se deslizaría hacia el objeto más grande. Más o menos así podríamos explicarnos lo que sucede con la gravedad.

Ahora imaginemos que sobre la tela tiramos un artículo muy pesado, que podríamos equiparar con un suceso que libera mucha energía en el Universo. No solo la sábana alrededor de este objeto se hundiría, sino que el impacto se sentiría en toda su extensión, pues se generarían ondulaciones que recorrerían toda la sábana, como las ondas que se mueven en la superficie de un estanque o el sonido en el aire. Con un poco de gusto por la física recreativa podríamos suponer que estas son las ondas gravitacionales, es decir, las distorsiones o curvaturas en el tejido espacio-tiempo.

La Teoría General de la Relatividad predice que la aceleración de grandes masas en el Universo libera energía en forma de ondas que curvan el espacio-tiempo

La Teoría General de la Relatividad predice que la aceleración de grandes masas en el Universo libera energía en forma de ondas que curvan el espacio-tiempo. (Foto: HEMERA / THINKSTOCK)

En teoría, las ondas viajan a la velocidad de la luz y su paso puede modificar la distancia entre planetas, aunque muy levemente. Pero estos efectos –dice a sus pupilos Kip S. Thorne, físico teórico del Instituto Tecnológico de California y uno de los pioneros en la búsqueda de estas ondas– deben ser especialmente intensos en las proximidades de la fuente, donde se producen “tormentas salvajes” que deforman el espacio y aceleran y desaceleran el tiempo.

La fuente a la que se refiere pueden ser las explosiones estelares en supernovas, parejas de estrellas de neutrones y otros eventos que tienen más energía que todas las bombas atómicas juntas.

La fusión de dos agujeros negros supermasivos, ya sugerida en este texto, es la fuente más potente de esas ondas. Sin embargo, este tipo de fenómeno no es muy frecuente y sucede a millones de años luz del Sistema Solar. Por tanto, de aquella “tormenta salvaje” solo percibiríamos, si acaso, algo como un hormigueo de bacterias, pues no son radiaciones sino el espacio mismo el que vibra.

Así, detectar la llegada de estas ondas a nuestro vecindario ha supuesto uno de los mayores retos tecnológicos a los que se ha enfrentado la humanidad desde aquel día que se atrevió a salir de la caverna, miró a cada lado y echó a andar.

Hemos estado sordos

“Damas y caballeros, hemos detectado las ondas gravitacionales. Lo hemos conseguido”, exclamó en rueda de prensa desde Washington, a las 10 y 30 de la mañana del 11 de febrero, el director ejecutivo del LIGO, David Reitze. Trasmitida por Internet, también fueron organizadas conferencias paralelas por científicos colaboradores en Moscú, París y la ciudad italiana de Pisa.

Según la convocatoria, se daría un “informe de situación”. Pero muchos olfateaban que sería anunciado el ansiado descubrimiento (ya un secreto a voces en los pasillos de la ciencia) que –según la opinión lapidaria del físico Bruce Allen, del Instituto Max Planck de Física Gravitacional en Hannover, Alemania– se llevaría el premio Nobel y todos los colegas, sin más, estarían de acuerdo.

“Hemos tardado meses en ver que realmente eran ondas gravitacionales, pero lo verdaderamente emocionante es lo que viene después: abrimos una nueva ventana al Universo”, añadió Reitze.

El 14 de septiembre último, los dos detectores idénticos de este experimento captaron la primera señal. Venía de una fusión que aconteció hace 1 300 millones de años, un violento abrazo de dos agujeros negros con masa entre 29 y 36 veces mayor a la del Sol. La energía liberada, equivalente a tres masas solares, salió desparramada en forma de ondas gravitacionales en un tris de segundo.

“Nuestros oídos empiezan a escuchar la sinfonía del Universo”, poetizó Alicia Sintes, física de la Universitat de les Iles Balears (UIB) y líder del grupo español que ha participado en el hallazgo.

La afirmación suena empalagosa, pero realmente las frecuencias de algunas ondas coinciden con las del sonido, por lo que pueden traducirse para ser escuchadas en forma de leves pitidos.

Eso hicieron los avispados científicos: las convirtieron en ondas de radio y así pudieron oír el eco de los dos agujeros negros machihembrándose. Es más: para conmemorar su hazaña, el LIGO creó –oh, les temps modernes– tres tonos de llamada para móvil con esos sonidos, que se pueden descargar desde su página web.

“Es la primera vez que el Universo nos habla en ondas gravitacionales, hemos estado sordos. Escucharemos cosas que nunca esperamos, que no vimos antes”, dijo en su presentación Reitze.

Cómo se detectaron las ondas gravitacionales.

Cómo se detectaron las ondas gravitacionales. (Foto: LA VOZ DEL INTERIOR)

 

La nana de la brújula

“La música le ayuda cuando piensa en sus teorías”, contó sobre Einstein su segunda esposa Elsa. Y efectivamente, tocar el violín, instrumento que practicó desde los seis años imbuido por su madre Pauline, una talentosa pianista, se convirtió en una terapia para el trabajo científico, como mismo lo fue para los físicos alemanes Max Planck y Werner Heisenberg, dos excelentes pianistas.

Sin embargo, cuando su padre le mostró una brújula por primera vez, el pequeño Albert quedó fascinado con su funcionamiento. ¿Por qué la aguja señalaba hacia el mismo sitio, aunque se moviera en otra dirección? La magia de la física lo había enganchado. “Esa experiencia dejó una impresión profunda y duradera en mí. Algo más profundo tiene que haber detrás de las cosas”, dijo el físico años más tarde al recordar aquel momento.

De vivir –lo que tuvo Einstein el 18 de abril de 1955 fue una muertecita a sedal, pues revive constantemente, como ahora–, seguramente quedaría fascinado con el gran instrumento óptico desarrollado desde 1984 por los institutos tecnológicos de California (Caltech; de la mano de Thorne) y Massachusetts (MIT; bajo la tutela del catedrático Reiner Weiss), y la Colaboración Científica LIGO, en la que participan mil investigadores de 15 países.

La instalación consta de dos detectores láser con forma de L. Cada brazo de esa L tiene cuatro kilómetros y existen dos detectores idénticos en Estados Unidos: uno en el Observatorio Livingston de Luisiana y otro a 3 000 kilómetros en el Observatorio Hanford, situado en Richland, estado de Washington.

El LIGO puede identificar variaciones equivalentes a una diezmilésima parte del diámetro de un átomo, la medición más precisa jamás lograda por un instrumento científico.

Luego de vitaminizar su desarrollo y operaciones con 365 millones de dólares, en 2004 el proyecto terminó la construcción de los instrumentos y las labores de calibración.

Estos detectores llevan buscando ondas gravitacionales desde el año 2002. En septiembre de 2015 comenzó a funcionar el LIGO avanzado, una versión mejorada del detector, que multiplica por diez la sensibilidad de los brazos láser y, por tanto, la distancia a la que pueden captar ondas gravitacionales.

La razón de la duplicidad de brazos es que se necesitan al menos dos detectores para evitar falsos positivos causados por cualquier vibración local como terremotos, tráfico o fluctuaciones del propio láser. Pero contrario a estas, una onda gravitacional causará una perturbación exactamente igual en Luisiana que en Washington.

Gracias a este laboratorio de interferometría (técnica que consiste en combinar la luz proveniente de diferentes receptores, telescopios o antenas de radio para obtener una imagen de mayor resolución), la Física moderna ha ampliado su pañol de herramientas para percibir el cosmos, más allá de la radiación electromagnética (luz, infrarrojos, rayos X…) que domina la Astronomía actual.

Mirando por la ventana abierta

Cada detector del LIGO lanza haces de luz láser de cuatro kilómetros de largo, por sus brazos en L. Si una onda gravitacional pasa a través del sistema detector, la distancia recorrida por el rayo láser varía por una cantidad minúscula, miles de veces más pequeña que el diámetro de un núcleo atómico. Si el LIGO recoge esa diferencia, entonces ha revelado una onda gravitacional.

Panorámica de Livingston, uno de los lugares del proyecto donde se detectaron las ondas.

Panorámica de Livingston, uno de los lugares del proyecto donde se detectaron las ondas. (Foto: LASER INTERFEROMETER GRAVITATIONAL-WAVE OBSERVATORY (LIGO))

El reciente acontecimiento –GW150914, nombre solo apto para hermeneutas– ocurrió cuando se captaron ondas gravitacionales en Livingston, en la dirección de la Nube de Magallanes, una galaxia satélite de la Vía Láctea. Siete milisegundos después se divisaron en Hanford, el tiempo que le llevó a las ondas recorrer esa distancia.

De tal suerte, la decepción de marzo de 2014 podrá ser enterrada para siempre. Entonces los investigadores del Centro Harvard-Smithsonian para la Astrofísica anunciaron la primera detección de ondas gravitacionales, pero un tiempo después se confirmó que no había pruebas concluyentes para respaldar el descubrimiento: Las ondas gravitacionales habían sido confundidas con el polvo interestelar de nuestra galaxia.

Hasta ahora solo había pruebas indirectas de estas ondas. En 1978, Rusell Hulse y Joseph Taylor demostraron que un púlsar binario (dos estrellas orbitando juntas, una de estas un púlsar) estaba cambiando ligeramente su órbita debido a la liberación de energía en forma de ondas gravitacionales en una cantidad idéntica a la que predecía la relatividad. Por ello ganaron el Nobel de Física en 1993. En 2003 se confirmó que lo mismo sucede con otra pareja estelar, en este caso de dos púlsares.

Con la reciente revelación, la búsqueda de ondas gravitatorias no ha hecho más que empezar. Con la configuración actual, el LIGO puede ver apenas a una distancia de unos 1 000 millones de años luz de la Tierra. Por eso el equipo científico va a hacer nuevas mejoras tecnológicas para aumentar su sensibilidad.

Por su parte, se espera que en el otoño de este año comience a funcionar una versión mejorada de VIRGO, el detector ítalo-francés que debería captar señales idénticas al LIGO. Mientras, la Agencia Espacial Europea (ESA) monitorea a LISA Pathfinder, una antena espacial satelital lanzada al espacio en diciembre de 2015 desde la Guayana Francesa, que probará la tecnología necesaria para captar las ondas predichas hace cien años.

A su vez, el LIGO alcanzará su máxima potencia en 2020. Tal vez entonces el mundo esté realmente listo para escuchar una verdadera sinfonía astronómica, con Einstein en un solo de violín.


Toni Pradas

 
Toni Pradas