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Ondas gravitacionales: el descubrimiento de la década

Recuerde la primera vez que escuchó los latidos de otro corazón. Intente revivir la primera vez que intentó escuchar el mar en la concha de un caracol. Así estará más cerca de lo que sentimos los astrofísicos cuando, el 11 de febrero de 2016, científicos anunciaron que midieron directamente la señal producida por ondas gravitacionales.

La mayor parte del conocimiento que los humanos tenemos sobre el universo lo hemos adquirido midiendo la luz, es decir, ondas electromagnéticas que van desde los rayos gamma hasta las ondas de radio. Como nuestros ojos apenas perciben una pequeñísima porción de la luz que permea el universo, hemos construido instrumentos para capturarla y medirla. Así hemos aprendido que el Sol y las estrellas están hechos de los mismos elementos que existen en nuestro planeta.

Hemos encontrado que nuestro sistema solar es apenas uno de la infinidad de sistemas planetarios que existen alrededor de estrellas distintas al Sol. Hemos descubierto que las estrellas se asocian en grupos de miles de millones que llamamos galaxias. Hemos estimado que hay más galaxias en el universo que granos de arena en todas las playas de nuestro planeta. Pero la luz no revela todos los secretos del universo.

Al inicio de la década que está a punto de terminar, uno de los objetivos más ambiciosos de la física experimental era medir otro mensajero de los fenómenos del universo: las ondas gravitacionales. Desde su predicción, por Albert Einstein en 1916 como una de las consecuencias de su teoría de la relatividad general, las ondas gravitacionales existían solo en las ecuaciones y en las mentes de los físicos teóricos.

Pero tras más de una década de observaciones que comenzaron en 1974, Russell Hulse y Joseph Taylor encontraron las primeras evidencias indirectas de la existencia ondas gravitacionales. Lo lograron al medir los pulsos de ondas de radio emitidos por un sistema de dos estrellas de neutrones, los remanentes de dos estrellas más masivas que nuestro Sol al finalizar su existencia. Por este descubrimiento se hicieron merecedores del Premio Nobel de Física en 1993. Pero hace 10 años nadie sabía con certeza si alguna vez podrían medirse directamente estas perturbaciones en el tejido del espacio-tiempo.

Las predicciones de Einstein

Antes de la relatividad de Einstein, cuando las leyes de Newton dominaban nuestro entendimiento de los fenómenos físicos, se podía imaginar que el espacio y el tiempo eran independientes de los fenómenos que suceden en el universo. Como si la realidad fuese una película en la que cada instante transcurre en su fotograma y el transcurrir del tiempo fuese solamente la sucesión de fotogramas. Pero ese modelo, esa forma describir el universo, no era suficiente para integrar toda la física que se conocía a principios del siglo XX. Para reconciliar las leyes de Newton con el electromagnetismo, Einstein formuló un nuevo modelo en el que el espacio y el tiempo son inseparables en ese único concepto llamado espacio-tiempo. En el modelo de Einstein, el tiempo no es solamente el paso de los fotogramas de la película, el tiempo depende de lo que hay en los fotogramas.

En la física, el juez de las teorías es la naturaleza misma. Las grandes ideas y los modelos matemáticos son aceptados si pueden hacer predicciones correctas. Y Einstein hizo dos predicciones críticas. La primera era la descripción precisa de la órbita de Mercurio alrededor del Sol, conocida durante siglos pero imposible de predecir usando solamente la física de Newton. La segunda era la observación de la curvatura de la luz de las estrellas vistas en la cercanía del Sol.

Cuando Arthur Eddington y sus colaboradores confirmaron esta segunda predicción al observar el cambio en la posición de las estrellas durante el eclipse total de Sol de mayo de 1919, Einstein saltó a la fama.

¿Cómo es posible que un físico teórico se haya convertido en un ícono del siglo XX y una teoría matemática le haya dado una celebridad tan solo comparable con la de una estrella de cine? Posiblemente, porque Einstein hizo lo que todos quisiéramos hacer: predecir el futuro. Einstein predijo un comportamiento desconocido en la naturaleza a partir de principios matemáticos. Y la predicción más audaz de la teoría de Einstein era la existencia de ondas gravitaciones.

Ideas audaces requieren pruebas contundentes

La punta de lanza en la detección directa es el Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferometría Láser (Ligo, por su siglas en inglés). En dos sedes idénticas, separadas por 3.000 kilómetros de distancia, Ligo está compuesto por dos túneles al vacío de 4 kilómetros que forman una letra L, en un montaje experimental diseñado para medir una distancia 10.00 veces más pequeña que el núcleo del átomo. Eso equivale a medir la distancia a la estrella más cercana a la Tierra (a 40 millones de millones de kilómetros) con una precisión comparable al ancho de un cabello humano.

En su primera ronda de operaciones en 2002 y 2010, Ligo no encontró evidencia de la existencia de las ondas gravitacionales, por lo que sus instrumentos fueron rediseñados y reconstruidos en 2010 y 2014. Estas modificaciones, que hicieron a Ligo 10 veces más sensible, se pusieron en operación en septiembre de 2015. El 14 de septiembre de 2015, las dos sedes de Ligo, y su complemento europeo, Virgo, detectaron el evento que constituyó la primera detección directa de ondas gravitacionales. Esa señal coincidió con la producida por la colisión de dos agujeros negros a 1,3 miles de millones de años de nuestro planeta. Los pioneros de esta idea habían pasado más de 40 años trabajando para hacer posible está detección.

Aunque los titulares en todo el mundo se apresuraron a anunciar este descubrimiento como una comprobación más del genio de Einstein, lo cierto es que esta observación tiene más implicaciones para nuestro futuro entendimiento del universo que para el culto a la personalidad de uno de los físicos teóricos más grandes del siglo XX. Descubrir ondas gravitacionales es como haber estado ciegos y ahora poder ver.

Hasta la fecha, Ligo y Virgo han observado 11 eventos confirmados de ondas gravitacionales, 10 colisiones de agujeros negros y una colisión de estrellas de neutrones. Y este es apenas el comienzo de las observaciones que en unos años esperan estimar la frecuencia de estos cataclismos cósmicos en todo el firmamento.

Además de la expansión de los proyectos en la Tierra, en unas décadas no será una fantasía medir ondas gravitacionales desde observatorios espaciales. Pero antes de asomarnos a la ventana que nos brinda este descubrimiento, vale la pena detenerse al finalizar esta década y asombrarnos porque los humanos dimos un paso más para entender cómo funciona el universo.

Fuente: eltiempo.com