¡Halladas! Ondas gravitacionales o arruga en el espacio-tiempo

Las ondas producidas por eventos cósmicos enormes podrían abrir una nueva era en la astronomía.

Después de casi un siglo termina la búsqueda de una presa cósmica esquiva. Con la ayuda de láseres y espejos, los científicos han podido observar, directamente, las ondas gravitacionales, o arrugas en la trama misma del espacio-tiempo.

Dos agujeros negros ?uno con 36 veces la masa del sol, y el otro con 29 veces su masa – emitieron dichas ondas gravitacionales cuando se acercaron girando y finalmente chocaron.

Desde una distancia aproximada de 1.3 mil millones de años luz, las ondas se extendieron como olas en un estanque cósmico y cubrieron la Tierra el 4 de septiembre, causando un cambio diminuto aunque mensurable en la distancia entre cuatro juegos de espejos, dos en Luisiana y dos en el estado de Washington.

En el último segundo, antes que los agujeros negros se fusionaran, liberaron 50 veces más energía que todas las estrellas de la galaxia combinadas.

?Es la primera vez que el universo nos habla en ondas gravitacionales?, dijo David Reitze, de Caltech, durante la conferencia de prensa donde anunció el descubrimiento, el 11 de febrero.

Los científicos que monitorearon el experimento con los espejos del Observatorio de Interferometría Láser de Ondas Gravitacionales (LIGO), puntualizaron que la señal recibida en la Tierra tenía el ?gorjeo? característico que, según lo predicho, acompañaría la muerte y unificación de dos agujeros negros.

?Podemos escuchar a las ondas gravitacionales, podemos escuchar al universo ?proclamó Gabriela González, de la Universidad Estatal de Luisiana-. Ya no solo vamos a ver el universo, vamos a estucharlo también?.

Amén de un descubrimiento que, en opinión de muchos, probablemente recibirá el premio Nobel, también es un anuncio que se había esperado desde hace semanas, si no es que meses, ya que provocativos rumores del hallazgo del equipo LIGO se habían filtrado en los medios.

Siente las vibraciones

Predichas por Einstein en 1916, las ondas gravitacionales se cuentan entre los elementos más paradójicos de su teoría de la relatividad. Son producto de eventos extremos lo suficientemente energéticos y violentos para ocasionar que se expanda y contraiga la rígida y resistente trama del espacio-tiempo, incluidos el choque de agujeros negros, la fusión de estrellas de neutrones, o la explosión de estrellas.

Pero como puedes imaginar, esos cambios no son perceptibles normalmente. De lo contrario, nuestros relojes funcionarían erráticamente, y los paisajes se estirarían y comprimirían sin cesar. No obstante, ?hay ondas gravitacionales traspasándonos en este momento ?asegura Alan Weinstein, quien dirige al equipo LIGO de Caltech-. Apuesto mi brazo izquierdo a que es cierto. Y soy zurdo?.

Eso significa que conforme esas ondas extraordinariamente poderosas recorren la Tierra, su efecto, como corresponde, es extraordinariamente difícil de medir. ?El estiramiento y encogimiento del espacio es pequeñísimo?, agrega Weinstein, señalando que el paso de una onda gravitacional podría cambiar la distancia entre dos personas sentadas a un metro de distancia en apenas 10 (-21) metros. Eso es un millonésimo del diámetro de un protón, una de las partículas que constituyen el núcleo del átomo.

Pero si pones dos espejos a cuatro kilómetros de distancia, como ha hecho LIGO, el efecto de la onda gravitacional es de un diezmilésimo del diámetro de un protón. ?Y eso sí podemos hacerlo?, dice Weinstein.

LIGO usa dos detectores idénticos con forma de L que se encuentran a un continente de distancia, en Livingston, Luisiana, y en Hanford, Washington. Para que una señal de onda gravitacional se considere verdadera, debe aparecer en los dos detectores, los cuales están integrados por dos juegos de espejos dispuestos perpendicularmente. El paso de una onda gravitacional estirará el espacio-tiempo en una dirección y lo comprimirá en la otra, provocando un cambio increíblemente pequeño en la longitud de los dos brazos de los detectores, la cual se mide con un láser.

Ese aparato es el dispositivo de medición más sensible del planeta, y además de ondas gravitacionales, puede detectar vibraciones como el paso de camiones, terremotos, caídas de rayos a seis estados de distancia, señales de satélites de posicionamiento global, y pulsos electromagnéticos en la atmósfera superior terrestre. De modo que hay que filtrar todo ese ruido para captar la señal minúscula de las ondas gravitacionales.

Ilustración: C. Henze, NASA

Luego de décadas de planificación y dramas políticos, los detectores LIGO hicieron un primer intento de escuchar las ondas gravitacionales en 2002, pero tras ocho años de silencio, apagaron los detectores en 2010 y los aislaron aún más contra el ruido de interferencia.

Por ello, cuando se reanudaron las observaciones en Advanced LIGO, el 18 de septiembre, los científicos se sintieron optimistas de obtener resultados.

Por un extraño giro del destino, ya tenían a mano una detección. Los detectores estuvieron funcionando antes que diera inicio la observación oficial, y ya habían captado una señal muy provocativa, la cual llegó primero al detector de Luisiana y siete milisegundos después, apareció en Washington.

?Cuando llegó este evento, estábamos seguros de que sería uno bueno. ¿Nos sorprendió que fuera demasiado bueno para ser verdad? Por supuesto. Mi reacción fue, ¡caramba! No podía creerlo?, confiesa Reitze.

Cuando chocan los agujeros negros

Con base en un puñado de ecuaciones de Einstein, los científicos partieron de las ondas observables para determinar el tipo de evento astrofísico que las causó. En este caso, las ecuaciones apuntaron a que los responsables eran dos agujeros negros que chocaron, y que al fusionarse, crearon un nuevo agujero negro que tenía más de 60 masas solares.

Formados por la muerte y el colapso de estrellas masivas, los agujeros negros son unos de los objetos más extraños del universo conocido; si es que puede llamárseles ?objetos?. Es fácil imaginar un agujero negro como un cúmulo de materia tan densa que su gravedad atrapa todo cuanto se aproxima demasiado, hasta la luz. Pero los agujeros negros no son ?cosas? u ?objetos? sino regiones curvas e insondables del espacio-tiempo. De suerte que, cuando dos agujeros negros se fusionan, el evento es todo menos común.

Según la descripción de Weinstein: ?Es una maraña turbulenta de espacio curvado, cambiando rápidamente?.

En la colisión que detectó LIGO, los dos agujeros negros estuvieron girando uno alrededor de otro, acercándose lentamente durante millones o miles de millones de años. Sin embargo, conforme se aproximaban, sus órbitas se aceleraron hasta que, eventualmente, alcanzaron casi la mitad de la velocidad de la luz, emitiendo cantidades de energía descomunales en forma de ondas gravitacionales que distorsionaron el espacio.

Y entonces, se fundieron. Pero en el último segundo, antes de ese evento, los agujeros negros emitieron más energía de la que emite todo el universo en todas sus formas de radiación. Una vez fusionados, el agujero negro amalgamado se tambaleó un poco antes de asentarse, emitiendo lo que se conoce como ?ringdown? o relajamiento, una especie de último suspiro antes de guardar silencio.

Esa es la historia impresionante que relatan los cambios infinitesimalmente pequeños en la distancia entre los espejos de la Tierra.

?Los datos son espectaculares ?declara el astrónomo Scott Ransom del Observatorio Nacional de Radio Astronomía, quien vio el manuscrito del equipo, ahora publicado en Physical Review Letters-. Ver las ondas en los trazos ?brutos? de los detectores, sin ningún arreglo estadístico especial, es más de lo que cualquiera pudiera pedir?.

Una nueva era y otras búsquedas

El descubrimiento señala la primera vez que los científicos registran, directamente, las ondas gravitacionales, aunque no es la primera prueba de su existencia. En 1974, Joe Taylor y Russell Hulse detectaron lo que entonces era un objeto nuevo y exótico: un púlsar binario, o dos estrellas de neutrones que giraban rápidamente una alrededor de otra. El equipo determinó que las órbitas de los púlsares se estaban reduciendo, y se dio cuenta de que la única explicación era que las ondas gravitacionales estaban sacando energía del sistema.

Aquel descubrimiento, que demostró sin lugar a dudas la existencia de las ondas gravitacionales, dio a Taylor y Hulse el premio Nobel de Física en 1993.

Fotografía: Matt Heintze, Caltech/MIT/LIGO Lab

La diferencia ahora es que el equipo LIGO ha hecho una observación directa de las ondas gravitacionales en la Tierra; un logro que abrirá una nueva era a la astronomía y permitirá que los astrónomos escudriñen más profundamente el cosmos.

Ver el universo en ondas gravitacionales sería parecido a la primera vez que los científicos enfocaron un par de lentes infrarrojas, o de rayos X, o de microondas en el cielo. Durante milenios, la astronomía había utilizado longitudes de onda visibles; la gente podía ver estrellas y planetas, y observarlos moverse por el cielo. Pero el universo infrarrojo está repleto de cúmulos polvorientos donde nacen esas estrellas; el universo de rayos X alberga cadáveres estelares; y el universo de microondas está sembrado de residuos térmicos del Big Bang. Observar el cielo usando las ondas gravitacionales revolucionará la astronomía de la misma manera.

?Es una nueva forma de estudiar objetos y fenómenos distantes en el universo, cosa que la radiación electromagnética no nos ha permitido hacer muy bien ?explica Taylor, astrofísico de la Universidad de Princeton, usando el ejemplo de los agujeros negros-. Sospechábamos que probablemente existían esos objetos, y habíamos visto las evidencias de los agujeros negros en el centro de las galaxias, pero ahora vamos a tener un medio directo para medirlos que es muy distinto de todo eso?.

Y no es todo. En la próxima década, otros experimentos también podrían detectar ondas gravitacionales. Uno de ellos, llamado NANOGrav, usa púlsares de milisegundo (los cuales miden el tiempo con precisión excepcional) como detectores naturales de ondas gravitacionales. Conforme la onda pasa a través de los púlsares, interrumpen brevemente la sincronización del giro de la estrella muerta, dejando una firma reveladora que puede rastrearse a través del cielo.

A diferencia de LIGO, que es sensible a las ondas gravitacionales producidas por cataclismos de masa estelar, estas formaciones de sincronización de púlsares detectarán ondas mucho más largas producidas por agujeros negros supermasivos, drenajes cósmicos que giran sin cesar en el centro de las galaxias.

?Sabemos que pasarán decenas de miles de años antes que esos agujeros negros supermasivos se fusionen, porque es entonces cuando emitirán ondas gravitacionales en nuestra banda de frecuencia ?dice Ransom-. Son miles de millones, o al menos cientos de millones de masas solares?.

Otro experimento propuesto lanzaría al espacio un observatorio de ondas gravitacionales, llamado eLISA, el cual sería sensible a las ondas emitidas por cualquier tipo de sistema astrofísico. Y también hay equipos que buscan ondas gravitacionales primordiales, producidas durante un periodo de rápida expansión cósmica en las etapas tempranas del universo. En 2014, el equipo BICEP2 anunció que había descubierto estas ondas gravitacionales, pero la señal resultó ser una huella polvorienta, en vez de inflacionaria.

Pasará algún tiempo antes que la astronomía de ondas gravitacionales se vuelva una disciplina de corriente principal. Pero cuando lo haga, esos eventos cósmicos, invisibles y extremos, que hasta ahora han vivido en el campo de las matemáticas, ingresarán en el terreno de lo observable, poblando el universo con un nuevo conjunto de misterios por resolver.