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Ondas gravitacionales

por el Dr. Miguel Peiró García para Delta de Maya
Junio 2016

El 14 de Septiembre de 2015 a las 09:50:45 UTC una perturbación del espacio-tiempo, conocida como onda gravitacional, con una energía cercana a la que irradian todas las estrellas y galaxias del Universo observable y generada hace aproximadamente 1.300 millones de años, cruzó la Tierra. Por primera vez uno de estos sucesos fue detectado por el ser humano. Algo así como el niño que, recién nacido, abre los ojos por primera vez al mundo y ante él se muestran una infinidad de misterios que se irán destapando a lo largo de su vida.

Hace aproximadamente 100 años, Albert Einstein fue capaz de describir la Gravedad de una forma tan brillante, elegante y genial que hoy en día todavía nos siguen abrumando sus confirmaciones. Einstein describió la fuerza de la gravedad como un efecto, como una consecuencia de las deformaciones del “tejido” espacio-temporal debido a la presencia de la energía que está contenida en el mismo. Hasta entonces se creía que la gravedad, tal y como Sir Isaac Newton la describió, era una fuerza que actuaba a distancia o, en términos técnicos, porque cada masa genera un potencial gravitatorio en el espacio que la rodea. Para entender mejor la diferencia entre las distintas forma de concebir esta fuerza por parte de estos dos genios, dejadme que ponga un ejemplo. Pensemos en la Tierra y el Sol. Sabemos que nuestro planeta está bajo el efecto de la gravedad del Sol porque recorre una órbita (elíptica, en este caso), alrededor del mismo. Si pudiéramos hacer desaparecer el Sol, la Tierra automáticamente seguiría una línea recta (despreciando los efectos gravitatorios de los demás planetas del Sistema Solar), tangencial al punto en el que se encontrara en ese momento. Aquí encontraríamos la primera diferencia importante entre la Relatividad General de Einstein y la Ley Universal de la Gravedad de Newton. Einstein diría que la Tierra tardará aproximadamente 8 minutos en “notar” la ausencia de la gravedad producida por el Sol, mientras que según Newton la Tierra lo notaria instantáneamente. La Relatividad General prohíbe las acciones inmediatas a distancia, porque según esta teoría nada puede viajar a velocidades mayores que la luz en el vacío. Pero volviendo a nuestro ejemplo, si nosotros viéramos que nuestro planeta realiza dicha trayectoria recta diríamos que no está bajo los efectos de la gravedad, en este caso del Sol. Por lo tanto, a partir de las trayectorias, de la dinámica de los objetos, se pueden inferir las fuerzas que actúan sobre éstos. Pues bien, Einstein le dio a esto una visión completamente revolucionaria.

La Relatividad General nos dice que la geometría del espacio-tiempo está sujeta inexorablemente a la energía contenida en el mismo. Si situamos una masa en cualquier punto del espacio-tiempo, este se deformará de acuerdo con las propiedades de dicha masa. Dicha deformación provocará que cualquier objeto que se encuentre cerca de esa masa modifique su trayectoria de acuerdo con la deformación misma.

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T. Pyle/Caltech/MIT/LIGO Lab

Es decir, la curvatura que vemos en la trayectoria de la Tierra alrededor del Sol no es más que la consecuencia de que esta se mueva en un espacio-tiempo deformado por la presencia de aquel. A pesar de que esta trayectoria se muestra curva a nuestros ojos, no es más que una caída libre de la Tierra hacia el Sol, igual que cuando dejamos caer un objeto al suelo, pero en un espacio-tiempo curvo. Einstein confirió al espacio-tiempo una dinámica de cambio que antes no tenía, ya que para Newton era algo absoluto, inamovible, inmutable.

Son muchas las consecuencias que se derivan de esta teoría, desde la curvatura de la luz en presencia de la gravedad, pasando por los cambios de tiempo entre observadores situados en intensidades de campo gravitatorio diferentes, hasta la existencia de los agujeros negros.

Sin embargo, hubo un tipo de solución de las famosas ecuaciones de Einstein que tardó en entenderse: las ondas gravitacionales. Desde que el propio Einstein predijera esta clase de fenómeno en 1916 (un año después de la publicación de la Relatividad General), hasta la conferencia de Chapel Hill en 1957, se produjo un intenso debate acerca de la interpretación física de este tipo ondas. Las ecuaciones de Einstein apuntaban a que ciertas configuraciones “asimétricas” de masas en el espacio generaban este tipo de ondas, al tiempo que perdían energía al producirlas, debido a que las deformaciones del espacio-tiempo que las contiene son muy cambiantes. Este tipo de ondas vienen a ser “estiramientos” y “contracciones” del espacio-tiempo que viajan a la velocidad de la luz. Para entenderlo, imaginemos que cogemos una barra que mide exactamente un metro de longitud. Al paso de una onda gravitacional, dado que el espacio mismo cambia, la longitud de la barra habrá cambiado después del paso de la onda. ¿Cómo podríamos, por lo tanto, detectar estos cambios que sufre el espacio-tiempo?

Hacia los años 70 se obtuvieron los primeros resultados que apuntaban a que las ondas gravitacionales no eran solo una mera curiosidad matemática, sino más bien una realidad física de la naturaleza de nuestro Universo. Hulsar y Taylor descubrieron un sistema binario de púlsares [1] en el que, con el tiempo, se confirmó que la perdida de energía del sistema cuadraba a la perfección con la emisión de ondas gravitacionales [2]. Esta fue la primera prueba indirecta de que las ondas gravitacionales tenían que existir, y que además, como predecía la Relatividad General, los sistemas binarios en rotación las producían. Sin embargo, ha habido que esperar 40 años más hasta que hemos sido capaces de detectarlas directamente.

¿Cómo se han medido?

El experimento LIGO que ha detectado estas ondas se basa en un principio llamado interferometría láser, que consiste en usar los patrones de interferencia entre diferentes haces de luz [3]. Para este experimento se utilizan dos detectores diferentes situados en Hanford (Washington) y Livingston (Luisiana), en los Estados Unidos.

Cada una de estas instalaciones está compuesta por dos túneles perpendiculares de 4 kilómetros, por los que circulan sendos haces de luz láser; al llegar al final de cada tubo dichos haces de luz se reflectan en un espejo y rebotan recorriendo el camino de vuelta hasta volver a encontrarse. Los láseres de cada túnel están desfasados de forma que cuando se vuelven a encontrar la interferencia que se produce entre ambos es puramente destructiva, y por lo tanto se anulan mutuamente. Por consiguiente, si no hay alteraciones, el detector del experimento no recibe ninguna luz, porque ambos láseres se han anulado.

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Interferómetro láser

Pero, ¿qué pasa cuando una onda gravitacional atraviesa estos experimentos? Pensemos en una onda gravitacional que se mueve en dirección perpendicular a uno, y sólo a uno, de dichos túneles. Pues bien, como hemos explicado anteriormente, el espacio mismo cambia, y por lo tanto el tamaño del túnel que está en posición perpendicular respecto a la dirección de movimiento de la onda cambia también. Y aquí está el truco. Cuando la longitud que recorre unos de los láseres cambia, la interferencia que se produce cuando se vuelve a encontrar con el otro láser (que ha recorrido una distancia que no ha cambiado al paso de la onda gravitacional) ya no es perfectamente destructiva, y por lo tanto en el detector aparecerá una pequeña cantidad de luz. Es esta luz casi imperceptible la que nos avisa de que ha pasado una onda gravitacional.

Observando el pasado para descifrar el futuro

Como ya hemos mencionado al principio de este artículo, en Septiembre de 2015 una de estas ondas cruzó ambos experimentos, con una diferencia de tiempo aproximada de 0.2 µs (0.0000002 segundos) entre la detección en Hanford y en Livinsgton. El paso de esta onda produjo una diferencia de longitud entre los túneles inferior a una diezmilésima del radio de un protón, o, lo que es lo mismo, menor que el tamaño de un balón de fútbol comparado con el tamaño de nuestra galaxia. El posterior análisis de la señal detectada reveló que lo más probable es que dicha onda haya sido producida por el choque de dos agujeros negros con una masa aproximadamente 30 veces mayor que la del Sol, que se fueron acercando a velocidades cercanas a la luz hasta fundirse en un único agujero negro, el cual distorsionó hasta tal punto el espacio-tiempo a su alrededor que liberó esta poderosa onda [4]. Lo que puede parecer aún más impresionante es que este suceso tuvo lugar hace 1.300 millones de años, mucho antes de que los primeros dinosaurios empezaran a poblar nuestro planeta, y que desde entonces ha estado viajando por el espacio hasta llegar a nosotros hoy.

Una muestra de que no se trata de un suceso aislado, sino de que el Ser Humano está empezando realmente a explorar el misterio de la Gravedad, es que el día 26 de Diciembre de 2015 se detectó de nuevo una onda gravitacional que cruzó la Tierra [5]. En cuestión de cuatro meses la colaboración LIGO ha sido capaz de detectar dos ondas gravitacionales, lo que deja entrever los tiempos apasionantes que se avecinan en el mundo de la cosmología. Este segundo suceso correspondería además, con un alto grado de probabilidad, a la colisión de dos agujeros negros bastante menos pesados que los que produjeron la primera señal, pero curiosamente uno de ellos se encontraría rotando sobre sí mismo a una velocidad altísima (probablemente como consecuencia de haber engullido previamente una estrella). Como curiosidad, este segundo suceso sería incluso más antiguo que el primero, y habría ocurrido aproximadamente hace 1.400 millones de años; sin embargo, la zona del cielo de la que procede este segundo suceso es completamente diferente.

Estos descubrimientos marcan un antes y un después en la historia de la Ciencia y en la evolución del Ser Humano. A partir de ahora, podemos ver lo que antes era invisible no sólo a nuestros ojos, sino también para nuestros experimentos. Todo un mundo de posibilidades y de misterios se ha abierto ante nosotros, y previsiblemente, con el paso del tiempo, esto nos irá desvelando nuevas incógnitas, y quizás llegue incluso a cambiar nuestra concepción del Cosmos y de las fuerzas que lo construyen. A pesar de que se espera descubrir numerosos hechos impresionantes en la nueva era de la astronomía por ondas gravitacionales (como, por ejemplo, “escuchar” el Big Bang), quizá lo más maravilloso sea aquello que no sabemos que vamos a descubrir, el misterioso Universo al que ahora nos enfrentamos y que posiblemente nos depare una infinidad de sorpresas. Nos estamos asomando a lo desconocido, estamos ante una aventura de proporciones inimaginables: veremos si somos suficientemente valientes como para no interponer nuestros prejuicios ante la avalancha de datos que nos espera a partir de ahora.

Imágenes cortesía de Caltech/MIT/LIGO laboratory y Kira Oriola.

[1] R. A. Hulse and J. H. Taylor, Astrophys. J. 195, L51(1975).

[2] J. H. Taylor and J. M. Weisberg, Astrophys. J. 253, 908(1982).

[3] B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration), Rep. Prog. Phys. 72, 076901 (2009).

[4] B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration), Phys. Rev. Lett.116, 061102 (2016).

Nota del editor: Nos parece interesante vincular a este artículo dos links de vídeos ilustrativos.

  1. Ondas gravitacionales convertidas en ondas sonoras:
    https://www.ligo.caltech.edu/video/ligo20160211v2
  1. Esquema de funcionamiento del interferómetro láser:
    https://www.ligo.caltech.edu/video/ligo20160211v6