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La caza de ondas gravitacionales

08/11/2017
11_08_OGravitacionales Simulación de la fusión de los dos agujeros negros de los que proceden las ondas detectadas. / LIGO/SXS.

La caza exitosa de ondas gravitacionales en el tejido del espacio-tiempo mereció el Premio Nobel de Física 2017. No es para menos, el hecho confirmó una predicción de la teoría de la relatividad general y abrió una nueva vía para investigar el universo. Osvaldo de Melo Pereira, catedrático de Física de la Universidad de La Habana, a cargo de una Cátedra de Excelencia en el departamento de Física Aplicada de la UAM, explica el origen de las ondas gravitacionales, su relación con la teoría de Einstein y la tecnología mediante la cual, finalmente, fueron cazadas.

Por Osvaldo de Melo Pereira

Hace 1.300 millones de años, cuando la especie humana aún ni soñaba aparecer en nuestro planeta, en un remotísimo lugar del universo –miles de trillones de kilómetros lejos de la Tierra– orbitaron, uno con respecto a otro, dos agujeros negros cuyas masas superaban decenas de veces la del Sol. 

La rapidez con la que giraban aumentó progresivamente hasta alcanzar cerca de la mitad de la velocidad de la luz, dando decenas de vueltas en un solo segundo. A la vez, la distancia entre ellos se reducía, por lo que al final se fundieron en uno solo.

Durante esta extraordinaria colisión se emitieron ondas gravitacionales que, con mucho retardo debido a su largo viaje, fueron recibidas el 14 de septiembre de 2015 en la Tierra, durante dos décimas de segundo.

Esto es, a grandes rasgos, lo que apareció reportado en un artículo de la Physical Review Letters el 12 de febrero de 2016, y lo que hace unos días les valió el premio Nobel de Física de 2017 a los estadounidenses Rainer Weiss, Barry Barish y Kip Thorne.

Como parece ser que en esta historia todos los números son grandes, el artículo apareció firmado por más de mil autores de instituciones de 18 países: Estados Unidos, Italia, Francia, Alemania, Holanda, Brasil, India, Australia, Reino Unido, Hungría, Polonia, España, Canadá, China, Corea, Bélgica, Japón y Rusia.


Gravitación universal

La existencia de las ondas gravitacionales fue predicha hace cien años como una consecuencia de la teoría de la relatividad general de Albert Einstein (Ulm, 1879 – Princeton, 1955). Esta teoría explica la gravitación universal –la atracción que existe entre todos los cuerpos– como una afectación de las propiedades geométricas del espacio, o más precisamente, del espacio-tiempo. Y también predice que, así como una pequeña perturbación en la superficie del agua se propaga a su alrededor en forma de una onda mecánica, una perturbación grande del espacio-tiempo (como la aceleración brusca de un cuerpo de masa muy grande) debe generar una onda gravitacional de magnitud relativamente apreciable.

La Teoría General de la Relatividad ha sido sometida a verificación experimental y se han comprobado algunas de sus predicciones. Por ejemplo, la desviación de un rayo de luz al pasar cerca de una estrella o las características particulares de la órbita del planeta Mercurio no pueden explicarse si no es con esta teoría. Hoy sus ecuaciones se usan para la determinación precisa de la posición en los dispositivos GPS. Solo faltaba la comprobación de la existencia de las ondas gravitacionales.

Sin embargo, durante mucho tiempo la caza de las ondas gravitacionales había sido tan incesante como infructuosa. Lo que complica el empeño, es que la intensidad de las ondas al llegar a la Tierra es extremadamente débil, por lo que su detección se hace muy difícil. Hace un par de años, usando un radio-telescopio instalado en el Polo Sur, un equipo de científicos anunció que había demostrado su existencia a partir de mediciones indirectas de lo que se conoce como radiación de fondo. Pero pronto se evidenció que los resultados no habían sido bien interpretados, así que las ondas gravitacionales volvieron al terreno de lo ignoto.


Detectores de ondas gravitacionales

 En el caso que nos ocupa, las ondas fueron medidas por dos detectores de los denominados LIGO (las siglas en inglés de Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferometría Laser), uno de ellos localizado en el estado de Washington y el otro en el de Louisiana, en los Estados Unidos. Ambos recibieron la señal de una onda gravitatoria con una diferencia de unas 11 milésimas de segundo. Luego de aquel artículo de 2016, tres nuevas detecciones de ondas gravitacionales han sido corroboradas.

Este detector posee dos brazos, cada uno de 4 km de largo, colocados perpendicularmente uno con respecto al otro. Con el uso de espejos en sus extremos, un rayo láser hace el recorrido de ida y vuelta por estos brazos; al final los haces se encuentran y producen una figura o patrón característico, llamado patrón de interferencia. La ventaja esencial de este detector es que como el patrón resulta muy sensible a la longitud de los brazos, la más mínima deformación en ellos es amplificada y puede cuantificarse.

Si una onda gravitacional llega al detector, va a dar lugar a una ligerísima oscilación en el tamaño de los brazos: se acortan y alargan sucesivamente con una frecuencia muy alta mientras esté pasando la onda. Esto, prácticamente imperceptible, es detectado sin embargo por la modificación que sufre el patrón de interferencia de los haces láser.

Estas instalaciones una vez construidas se colocan “como un surfista esperando la ola”; a la espera de que el eco de algún gran cataclismo se haga presente. Y eso fue lo que ocurrió en septiembre de 2015: el detector emitió una señal que los autores clasifican de inequívoca.

De hecho, gran parte del artículo trata sobre la fiabilidad de la medición realizada. Los autores explican, por ejemplo, cómo los espejos están montados en una plataforma antisísmica de modo que el instrumento queda aislado del movimiento de la Tierra. También calcularon que el instrumento puede dar una falsa alarma solo una vez cada 22.500 años.

Lamentablemente, otros detectores igualmente potentes, ubicados en Italia y Alemania, no estaban funcionando en el momento de la llegada de la onda. Sin embargo, la última detección fue verificada también por el interferómetro Virgo en Italia.

Los ganadores del Nobel también realizaron en su trabajo un análisis de la forma de la onda obtenida, y encontraron que tiene todas las características esperadas para las ondas emitidas durante la colisión de dos agujeros negros.

Lo cierto es que este es un descubrimiento trascendental. Las ondas electromagnéticas fueron producidas y detectadas por primera vez en 1888 por Heinrich Hertz (Hamburgo, 1857 – Bonn 1894). También habían sido previstas con anterioridad por la teoría del electromagnetismo de James Clerk Maxwell (Edimburgo, 1831 - Cambridge, 1879), solo que en aquella ocasión transcurrieron veinte años entre predicción y verificación. Las ondas gravitatorias demoraron cien en verificarse… ¡Hay que tener paciencia con el trabajo científico!

De cualquier manera, cada vez que en la historia de la ciencia se descubrió algo importante en relación con las ondas, esto trajo a la larga revoluciones tanto científicas como tecnológicas. ¿Pasará lo mismo con las ondas gravitacionales? Para algunos, hasta ahora solo se podía ver el universo a través de las ondas electromagnéticas, pero de ahora en adelante también se podrá “escuchar” por medio de las ondas gravitacionales.

Esto porque si bien las ondas gravitacionales son de una naturaleza diferente a las sonoras, sus rangos de frecuencia son similares. Es como si el universo tuviera una música que podríamos escuchar y que nos transmitiría información de cuando aún no había luz en el universo.

Solo hay que seguir cazando olas. Y mejorando los detectores.

 

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Osvaldo de Melo Pereira es Profesor Titular de la Facultad de Física de la Universidad de La Habana y se encuentra a cargo de a cargo de una Cátedra de Excelencia en el departamento de Física Aplicada de la UAM por este año. Actualmente realiza investigaciones experimentales relacionadas fundamentalmente con materiales laminares.