¿Por
qué ha tenido tanta repercusión el descubrimiento de las ondas gravitacionales?
(Por
Miguel Zumalacárregui Pérez)
Capítulo 14 de CIENCIA, y además lo entiendo!!!
En
noviembre de 1915, Albert Einstein daba el toque final a lo que sería una de
las joyas del conocimiento humano. Tras una década de trabajo consiguió
sintetizar las ecuaciones que gobiernan la teoría de la relatividad general,
una construcción matemática de gran belleza que describe la gravedad en
términos de la curvatura del espacio tiempo. Einstein dedicó diez años a
completar esta gesta, pero la aventura no hacía sino empezar, pues en las
próximas décadas se fueron entendiendo y confirmando las predicciones más
psicodélicas de esta hermosa teoría, desde la expansión del universo, indicando
que existe un origen del tiempo, hasta la existencia de agujeros negros en los
que el tiempo se detiene. Cien años después solo una predicción clave de la
relatividad general quedaba por confirmarse: la existencia de ondas
gravitacionales, ínfimas distorsiones del tejido espaciotemporal que viajan a
la velocidad de la luz. Este fenómeno pudo demostrarse por fin, un siglo
después de haberse formulado la teoría.
La detección de ondas gravitacionales
es y será uno de los hallazgos científicos más importantes del siglo XXI. Se
trata de un logro tecnológico sin precedentes, fruto de décadas de esfuerzo y
una intensa colaboración a nivel internacional. Este hito abre una nueva
ventana al universo que nos permitirá escuchar los fenómenos más extremos del cosmos,
fenómenos que de otra forma permanecerían ocultos y que podremos usar para
entender la gravedad en mayor profundidad. Y esto es esencial, ya que la
gravedad está íntimamente ligada a muchos de los grandes problemas en física
teórica, desde la unificación de las fuerzas hasta el origen del universo.
Independientemente de como lleguen a resolverse estos misterios, las ondas
gravitacionales nos ayudarán a entenderlos y nos abrirán la puerta a fenómenos
nuevos e inesperados.
Las ondas gravitacionales no son muy
distintas de las ondas que se producen en la superficie de un estanque, las
ondas que propagan el sonido en el aire, o las ondas electromagnéticas que dan
lugar a la luz visible o la radio: se generan por una fuente, se propagan hacia
el exterior de ésta, perdiendo intensidad en el camino, y producen ciertos
efectos a su paso que permiten detectarlas con las técnicas adecuadas. Una
diferencia entre las ondas gravitacionales
y electromagnéticas es que las primeras se parecen más al sonido: son
emitidas por la totalidad de un sistema y no solo por su superficie. Por este
motivo no se habla de “ver” ondas gravitacionales, sino que se las “escucha”. Y
hay que escucharlas con suma atención, pues la gravedad es una fuerza
extremadamente débil. Sabemos esto porque con nuestras piernas somos capaces de
vencer la fuerza que ejercen las casi 6 cuatrillones de toneladas de la
tierra (6·1024 kg) [1]. Esta debilidad convierte el estudio de las
ondas gravitacionales en una ciencia tremendamente desafiante, pues incluso los
fenómenos más violentos del universo producen distorsiones ínfimas y
detectarlas desafía los límites de nuestra tecnología.
La primera onda gravitacional jamás
detectada, GW150914, cruzó la tierra el 14 de septiembre de 2015. Sin embargo
su viaje empezó hace más de mil millones de años, cuando dos agujeros negros
que estaban orbitando en una galaxia lejana colapsaron y se fundieron en un
agujero negro mayor. Aunque cada uno de estos agujeros negros tenía una masa
unas 30 veces mayor que nuestro Sol (¡y este es unas cien millones de veces más
pesado que la Tierra!) la fusión se produjo en menos de dos décimas de segundo.
Este proceso, tan rápido y violento liberó una cantidad de energía
correspondiente a 3 veces la masa del Sol en forma de ondas gravitacionales. Al
igual que el sonido del trueno es apenas audible cuando la tormenta es
distante, el rugido de este proceso monstruoso apenas es perceptible a su
llegada a la tierra.
Detectar las ondas gravitacionales ha
sido un desafío épico a nivel tecnológico. Una onda gravitacional tiene el
efecto de acortar el espacio en una dirección y estirarlo en otra. Pero esta
onda se atenúa y después de un viaje de mil millones de años, incluso la
colisión de dos agujeros negros mucho más masivos que el Sol tiene un efecto
imperceptible. La distorsión del espacio es por apenas un factor 10-21,
es decir, una milésima de una trillonésima. Podemos entender lo minúsculo de
este factor con una analogía. Imaginemos que en lugar de medir distorsiones del
espacio, nos interesáramos por fluctuaciones monetarias, por ejemplo nuestros
ahorros en el banco o el valor de una acción en la bolsa. En ese caso, una
fluctuación de 10-21 es
equivalente a modificar el valor de toda la economía mundial en una
diezmillonésima de euro. Tal cantidad es tan ínfima que está muy por debajo de
la menor fracción de divisa que se considera en ningún mercado.
La colaboración LIGO (Laser
Interferometer Gravitational-Wave Observatory) ha sido capaz de efectuar esta
medida histórica usando un sistema extremadamente sofisticado para detectar
estas perturbaciones en el espacio-tiempo. Cada uno de los detectores de LIGO
consiste en dos rayos láser perpendiculares, cuya interferencia permite medir
cambios en la distancia relativa que recorre cada uno de los rayos. La pequeñez
de las ondas gravitacionales hace que el estiramiento de estos brazos es menor
que el radio de un protón. Para sobreponerse a la pequeñez de esta distorsión
los espejos que reflejan los láser están suspendidos en un sistema cuádruple de
péndulos, que los aísla del movimiento de la tierra. A pesar de todos estos
trucos, multitud de efectos (que incluyen pequeños terremotos, coches pasando a
kilómetros del detector o la vibración térmica de los espejos) son mucho mas
fuertes que la señal, por lo que LIGO cuenta con dos detectores situados a
3000km en extremos opuestos de EEUU. Al contrario que todos estos efectos, una
onda gravitacional produce un patrón distintivo en ambos detectores: la misma
señal es recogida en ambos puntos, pero con unos milisegundos de retraso que la
onda gravitacional tarda en recorrer la distancia que los separa, viajando a la
velocidad de la luz.
El patrón de ondas gravitacionales
detectado por LIGO es justo lo que se espera escuchar en las últimas órbitas de
dos agujeros negros con una masa unas 30 veces mayor que la de nuestro Sol, su
fusión en un agujero negro con la masa total y la relajación de éste hasta un
estado estable. Sabemos esto por la frecuencia a la que se observan las
distorsiones en los láser de LIGO y su variación temporal, ya que la onda
oscila más rápido a medida que ambos agujeros negros se acercan. Los detalles
técnicos son muy complejos, pero la idea se puede entender con una analogía
musical. Sabemos distinguir la misma melodía tocada en distintos instrumentos,
ya que, incluso tocando las mismas notas, un contrabajo, un órgano y un trombón
son completamente diferentes, y un experto puede incluso distinguir entre
ligeras variaciones en el mismo tipo de instrumento. Un punto importante para
saber que son agujeros negros (y no otro objeto muy compacto) es por la
velocidad de las órbitas: si los objetos fueran más grandes que un agujero
negro tendrían que desplazarse más rápido que la luz para reproducir las
frecuencias que observamos, lo cual contradice la teoría de Einstein.
Vale la pena detenerse en este punto:
LIGO no solo ha detectado ondas gravitacionales, sino que también ha sido capaz
de observar dos agujeros negros orbitando y fundiéndose en un agujero negro
mayor. Este evento abre una nueva ventana al universo y a los fenómenos más
violentos que ocurren en él. Los agujeros negros son los objetos más extremos
conocidos, el estado final en la evolución de estrellas tan densas que la
gravedad las aísla del resto del universo e impide hasta a la misma luz escapar
de su interior (ver Capítulo 13). Es muy difícil estudiar estos objetos, ya que
por definición no emiten ninguna señal. Pero ahora todo esto puede cambiar,
pues hemos ganado un sentido con el que estudiar los agujeros negros, así como
otros fenómenos gravitatorios. Ya no solo podemos ver el universo, ahora
también podemos escucharlo.
Las pocas pero espectaculares
observaciones de ondas gravitacionales que hay hasta la fecha no hacen más que
arañar la superficie de lo que puede llegar a ser esta nueva ciencia. Cada
nuevo canal de observación al que se ha abierto la astronomía ha dado lugar a
descubrimientos sorprendentes e interesantes. Un claro ejemplo es la
radioastronomía, que estudia objetos astronómicos a través de las ondas de
radio, como las que empleamos para la comunicación con dispositivos móviles. La
apertura de los cielos a observaciones a través de ondas de radio dio lugar al
descubrimiento de los quasares, objetos tan brillantes y tan distantes que solo
pueden ser causados por procesos extremos en galaxias muy lejanas. Se cree que
los quasares son la radiación emitida por estrellas y nubes de gas al ser
devoradas por agujeros negros inmensos que habitan en el centro de las
galaxias, cada uno millones de veces más masivo que nuestro Sol (ver Capítulo
12). Las ondas gravitacionales nos proporcionarán nuevas pistas sobre los
agujeros negros. Pero más allá de observar estos misteriosos seres, o de ganar
nueva información sobre otros objetos como las estrellas de neutrones, sin duda
lo más vertiginoso es la posibilidad de observar objetos hasta ahora
desconocidos.
Más allá de observar fenómenos y
objetos en el universo distante, las ondas gravitacionales nos permitirán
entender mejor las leyes fundamentales que rigen nuestro universo a nivel
microscópico. Y en concreto podremos estudiar propiedades de la que es con
diferencia la fuerza peor entendida de la naturaleza: la gravedad. A pesar de
ser uno de los fenómenos más cotidianos, de agarrarnos cada minuto de nuestra existencia,
la gravedad es sin duda el fenómeno más misterioso de la física fundamental.
Una cantidad abrumadora, una fracción mayúscula de los problemas abiertos en
física fundamental están conectados de alguna manera a los fenómenos
gravitatorios y la naturaleza del espacio-tiempo. La gravedad es parte integral
en el entendimiento de problemas que van desde el origen del universo y su
destino hasta la descripción microscópica de la gravedad (a través de su
unificación con la mecánica cuántica), pasando por la naturaleza de los
agujeros negros.
Hablamos de una ciencia que está en su
infancia, y por el momento es difícil de imaginar en qué forma concreta el
estudio de las ondas gravitacionales nos podrá ayudar a entender estos
problemas tan profundos. Aunque es una idea especulativa, es muy posible que
las ondas gravitacionales nos ayuden a entender el mecanismo por el que el
universo se expande de manera acelerada (ver Capítulo 52). Este efecto
contradice la naturaleza atractiva de la gravedad predicha por la teoría de
Einstein, creando así uno de los grandes misterios de la ciencia contemporánea.
Para explicarlo se han propuesto muchos modelos basados en teorías de gravedad
alternativas. Éstas permiten que la gravedad sea más débil a escalas
cosmológicas, permitiendo que las galaxias se alejen cada vez más rápido unas
de otras. Pero muchas de estas teorías también predicen modificaciones
substanciales en el comportamiento de las ondas gravitacionales. Por ejemplo,
una clase muy importante de modelos predicen que estas viajan a velocidades
superiores a la luz, haciendo que las señales de eventos lejanos se observen
con un lapso entre la señal gravitatoria y su análogo electromagnético. Este
test no puede hacerse con agujeros negros, ya que no emiten luz al fusionarse,
pero cuando seamos capaces de observar las ondas gravitacionales de objetos
luminosos podremos descartar muchos modelos de energía oscura.
La gravedad es única y hemos ganado un
sentido con el que poder escucharla. Es la fuerza que da forma al universo,
ensambla las galaxias y las agrupa en estructuras aun mayores. La gravedad
aparece íntimamente ligada a muchos de los problemas no resueltos por la física
contemporánea [2], algunos tan antiguos como el origen del universo. También
está inseparablemente ligada a la naturaleza misma del espacio-tiempo, nos
amarra a nuestro planeta y nos limita a viajar a velocidades que son ridículas
en la escala de las galaxias. Como el amor, la gravedad es un fenómeno
atractivo y universal, a menudo demasiado obvio, débil o inalcanzable como para
llamar nuestra atención. Y como esta otra fuerza irresistible, nunca dejará de
sorprendernos.
Notas:
[1] Para una introducción a la notación en
potencias de 10 véase www.fronterad.com/?q=pequeno-mapa-mundo-en-potencias-diez-i-contando-cifras
[2]Problemas
no resueltos en física: https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_unsolved_problems_in_physics
Bibliografía:
“The Perfect Theory: A Century of Geniuses and the Battle Over General
Relativity”, Pedro G. Ferreira.
Miguel
Zumalacárregui Pérez
Doctor en Física
Investigador Marie Curie - University of California at Berkeley
Nordita
Fellow – Nordic Institute for Theoretical Physics
Nació en Madrid. Actualmente es investigador Marie Curie en la Universidad de California en Berkeley (EEUU) y miembro del Instituto Nórdico de Física Teórica (Nordita, Suecia). Previamente fue investigador postdoctoral en la Universidad de Heidelberg (Alemania) y el Instituto de Física Teórica UAM-CSIC, y obtuvo el doctorado en Física en las Universidades Autonoma de Madrid y de Barcelona.
Su investigación se centra en la relación entre cosmología y gravitación, y específicamente en como utilizar datos observacionales (de ondas gravitacionales, la expansión del universo o la distribución de galaxias a grandes escalas) para entender mejor la gravedad. Mantiene el blog de divulgación:
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