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Ciencia

Ondas gravitacionales: tan revolucionarias como el telescopio de Galileo

Atraviesan nuestro cuerpo a cada momento, pero son tan débiles que no las percibimos

Con su hallazgo en detectores, han abierto una nueva era en la astronomía que permitirá aprender sobre los orígenes del Universo y sobre el funcionamiento de la materia

Simulación por ordenador de la fusión de dos agujeros negros y de ondas gravitacionales liberadas
Simulación por ordenador de la fusión de dos agujeros negros y de ondas gravitacionales liberadas - W.Benger-Zib

Esta semana la segunda detección de las ondas gravitacionales volvió a traer a la actualidad a los astrofísicos, a los observatorios y a los misteriosos agujeros negros. Con este descubrimiento, los científicos confirmaban otro hallazgo publicado en enero por todo lo alto, y las ondas gravitacionales se convertían en realidad.

Por lo etéreo del tema, podría parecer que las ondas gravitacionales son incomprensibles y lejanas, un asunto que solo le interesa a los teóricos y que no sirve para nada. Pero nada más lejos de la realidad. Estas ondas no solo han supuesto un enorme avance tecnológico y no solo permitirán cambiar la astronomía y contestar a grandes preguntas sobre el Universo. En el presente también tienen su papel. Por ejemplo, durante cada instante que pasa nuestro cuerpo es atravesado por ondas gravitacionales. Ellas contraen y dilatan el espacio en el que vivimos y acortan o alargan cada uno de los segundos que gastamos respirando. Por suerte para nosotros, son tan débiles que no podemos percibirlo.

Esto es tan escalofriante que incluso Albert Einstein dudó de sí mismo al predecir la existencia de las ondas gravitacionales con su Teoría General de la Relatividad. Corría el año 1916, y sus fórmulas decían que, al igual que la luz se propaga a través de ondas, la gravedad también lo hacía. Esto implicaba que unas perturbaciones espacio-temporales muy débiles recorrían el Universo a la velocidad de la luz, y que incluso atravesaban la Tierra. Quizás para su alivio, Einstein consideraba que la tecnología humana nunca sería lo suficientemente refinada como para confirmar o descartar que estaba en lo cierto.

Pero en esto, sí que se equivocaba. Después de casi 30 años de trabajo, y gracias a la participación de más de 1.000 científicos y a una inversión de al menos 620 millones de dólares, el ser humano construyó en 2015 un observatorio capaz de detectar las débiles ondas gravitacionales predichas por Einstein un siglo antes. Este observatorio se llamó LIGO («Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory»).

Los dos miembros del observatorio LIGO
Los dos miembros del observatorio LIGO- LIGO/CALTECH/MIT

Un láser prodigioso

Si para detectar las ondas de la luz es necesario recurrir a un telescopio, para detectar las ondas gravitacionales hace falta algo completamente distinto. Dado que ellas deforman el espacio, se puede detectar su presencia tan solo midiendo la distancia entre dos puntos distantes con una precisión extrema y esperando que por ahí pase una onda gravitacional intensa.

Y esto es precisamente lo que hace LIGO. Para ello, cuenta con dos grandes detectores separados por más de 3.000 kilómetros de distancia, en los estados de Washington y Luisiana, (Estados Unidos). En el interior de unos túneles de cuatro kilómetros de longitud y con forma de T, un rayo láser mide la distancia entre dos espejos, que son probablemente los espejos más perfectos construidos nunca. De modo que cuando se detecta una variación en la distancia en ambos detectores, los científicos pueden comenzar a trabajar para saber si la perturbación es un error del sistema o pertenece a una onda gravitacional.

El problema es que la perturbación provocada por una onda gravitacional es realmente insignificante. «La modificación que produce una onda gravitacional en la distancia de los brazos de los detectores es equivalente al cambio en el espesor de un cabello humano en un millón de veces la distancia de la Tierra a Neptuno», ha dicho Mario Díaz, director del Centro de Astronomía Gravitacional, en Texas.

Por eso, para poder captar las débiles ondas gravitacionales, hace falta un instrumento que sea extremadamente sensible. La consecuencia es que «siempre hay ruido», tal como ha explicado Díaz. Este es el motivo por el que los científicos tienen que estar haciendo ajustes continuamente. Las vibraciones del terreno, los cambios en la temperatura de los espejos y otros muchos factores alteran la señal de los detectores.

En realidad, una vez captada una onda gravitacional, el trabajo de los científicos no hace más que comenzar. Es cuando llega el momento de procesar los datos en supercomputadores y tratar de cotejar los resultados con varios modelos matemáticos. Ahí es donde trabaja Alicia Sintes, investigadora de la Universidad de las Islas Baleares, que lidera además el único grupo de científicos españoles que es miembro de la colaboración LIGO. «El papel de mi grupo de investigación es mejorar los modelos que teníamos para los perfiles de señales con el objetivo de producir los catálogos necesarios para analizar los datos», ha explicado.

El abrazo de dos agujeros negros

El proceso es fascinante. El pasado enero, los detectores captaron la señal de una onda gravitacional. En realidad, la onda se había liberado 1.400 millones de años antes, tras un proceso de fusión entre dos agujeros que apenas duró apenas un segundo. Después de girar el uno sobre el otro durante millones de años a altísimas velocidades, su abrazo definitivo emitía una «potente onda de choque» gravitacional capaz de atravesar el Universo.

Representación de las ondas gravitacionales de dos agujeros negros próximos
Representación de las ondas gravitacionales de dos agujeros negros próximos- Henze, NASA

«Los datos que obtenemos en un evento de un segundo, pueden necesitar semanas para ser procesados en un supercomputador como Mare Nostrum», ha explicado Sintes. Después de millones de años de viaje, aquellas misteriosas ondas producidas en un evento de dos segundos necesitaron meses para ser procesadas y confirmadas. No es lo mismo el ruido que una onda gravitacional.

Pero, ¿a qué viene tanto revuelo? ¿Por qué tanto interés en detectar las ondas gravitacionales? En una entrevista concedida hace unas semanas a ABC, el premio Nobel de Física Sheldon Glashow daba algunas pistas. En su opinión, «las ondas gravitacionales son inútiles y seguramente siempre lo sean»: probablemente no se pueda producir un nuevo ordenador con ellas, o curar ninguna enfermedad, pero a pesar de eso, su descubrimiento ha tenido dos importantes consecuencias: no solo la sofisticada tecnología necesaria para detectarlas ha «traído nuevas compañías, nuevas ideas, y quizás nuevas patentes», sino que además, «llevarán a una nueva astronomía», en opinión de Glashow.

«¡Ahora podemos usar las ondas gravitacionales para observar el Universo justo como hemos hecho con la luz durante siglos!», ha explicado Amber L. Stuver, integrante del equipo de LIGO que trabaja en el procesamiento de datos en el observatorio de Luisiana. «Ahora tenemos la tecnología no solo para observar los efectos de las ondas gravitacionales sobre otras estrellas en el Universo, sino también para detectarlas en nuestros instrumentos y para usar esa información para aprender sobre los cuerpos que produjeron esas ondas».

Lo cierto es que las ondas gravitacionales no son unas recién llegadas a la Ciencia. Desde su predicción por parte de Einstein, varios descubrimientos llevaron a los científicos a estar seguros de su existencia. En los setenta, el comportamiento de una estrella doble que emitía luz como si fuera un faro, parecía perder energía de una forma que solo podía explicarse si en el camino hubiera emitido una onda gravitacional. Este hallazgo de una estrella que en realidad era un nuevo tipo de púlsar, fue después premiado en 1993 con el Nobel de Física, y fue la base que luego permitió que luego se aprendiera a observar los efectos de las ondas gravitacionales sobre las estrellas.

El Universo: el nuevo laboratorio

Pero al poder detectar esas ondas gravitacionales procedentes del espacio en la Tierra, con las confirmaciones publicadas en enero y junio de este año, de alguna forma el Universo se convierte en un laboratorio lleno de posibilidades. El problema que aún queda es que los agujeros negros son objetos totalmente oscuros para los científicos, porque no emiten energía ni información desde su interior, al menos a partir del horizonte de sucesos (el punto de no retorno, a partir del cual ni la luz es capaz de escapar de la enroe acumulación de materia, energía y gravedad que son los agujeros negros).

Pero, podría haber otras posibilidades: «Si pudiéramos detectar las ondas gravitacionales emitidas por los púlsares de forma continua (estrellas de neutrones que giran a altas velocidades y emiten radiación como si fueran faros astronómicos) veríamos cosas muy interesantes. Podríamos obtener mucha información sobre cómo se comporta la materia en condiciones extremas que nunca podríamos reproducir en un laboratorio de la Tierra», ha explicado Alicia Sintes. «Cómo se comporta la materia a altísimas presiones, con potentes campos magnéticos. ¡Esas estrellas tienen una o dos masas solares y el tamaño de Menorca! Esconden dentro casi toda la física cuántica (la física de los átomos y la energía a la escala más pequeña)».

«Las detecciones que fueron anunciadas como grandísimos descubrimientos van a ser un hecho rutinario a partir de ahora», ha explicado Mario Díaz. «Esta segunda detección no es la confirmación definitiviva, pero añade y suma. Corrobora que los detectores tienen capacidad para detectar estos eventos. Con estos avances hemos entrado en una nueva era de la astronomía. Esto es tanto o más revolucionario que cuando Galileo apuntó al cielo con su telescopio».

«En cinco o diez años habrá muchos descubrimientos relacionados con esto», ha explicado Alicia Sintes. El observatorio LIGO alcanzará su máxima sensibilidad en 2019 y en otoño del año que viene entrará en funcionamiento VIRGO, el observatorio de ondas gravitacionales europeo. Esto facilitará la tarea de triangular el origen de las ondas gravitacionales y situar la posición de agujeros negros o estrellas de neutrones en el espacio. Japón también tiene un en marcha un proyecto para observar las ondas gravitacionales, y la Agencia Espacial Europea (ESA), recientemente demostró, con la LISA Pathfinder, que la tecnología que han desarrollado permite observarlas en el espacio: de confirmarse la misión LISA, mandarán satélites al espacio capaces de situar detectores a tales distancias que se alcanzarían sensibilidades increíbles.

Por eso, algunos sugieren que no solo sería posible entender más sobre el funcionamiento de la materia o objetos astrofísicos, sino incluso sobre los ecos gravitacionales de las primeras etapas del Universo. De momento, las ondas gravitacionales han permitido ver con otra luz la muerte de las estrellas. Pero en los próximos años prometen iluminar el Universo con una luz nueva.

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