¡Halladas ondas gravitacionales!

Después de casi un siglo, la caza de una escurridiza cantera cósmica ha terminado. Con la ayuda de láseres y espejos, los científicos han observado de forma directa las ondas gravitacionales o las arrugas en la tela del mismísimo espacio-tiempo.

Dos agujeros negros en colisión, uno con una masa 36 veces mayor a la del sol y otra con 29, emitieron dichas ondas gravitacionales a medida que se movían en forma de espiral uno dentro del otro y eventualmente colisionaron.

Desde aproximadamente 1.300 millones de años luz de distancia, estas ondas se expandieron como ondas en el estanque cósmico y bañaron la Tierra el 14 de septiembre de 2015, causando un cambio minúsculo pero medible en la distancia entre cuatro conjuntos de espejos, dos en Louisiana y dos en el estado de Washington.

En el último segundo antes de que los agujeros negros se fusionaran, liberaron una energía 50 veces mayor a la que liberaban todas las estrellas de todas las galaxias del universo juntas. 

"Es la primera vez que el Universo no ha hablado a nosotros en ondas gravitacionales", afirmó David Reitze de Caltech durante una conferencia de prensa que anunciaba el descubrimiento el 11 de febrero de 2016.

Para los científicos que controlaban dicho experimento basado en espejos en el Observatorio de Ondas Gravitacionales con Interferómetro Láser (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, LIGO), la señal recibida en la Tierra tenía la sonido característico que se espera junto con la muerte y la unificación de dos agujeros negros.

Podemos escuchar las ondas gravitacionales, podemos escuchar el universo, afirmó Gabriela Gonzalez de la Universidad Estatal de Louisiana. No solo estaremos observando el universo, estaremos escuchándolo.

Es un descubrimiento que muchos afirman que probablemente recibirá un Premio Nobel y un anuncio al que se ha hecho alusión durante semanas, o meses, a medida que los rumores tentadores sobre el hallazgo del equipo del LIGO circulaban en las redes sociales.

Siente las vibraciones 

Las ondas gravitacionales, en primer lugar predichas por Einstein en 1916, se encuentran entre las partes más paradójicas de su teoría de la relatividad general. Son producidas por eventos extremos, como la colisión de agujeros negros, la fusión de estrellas de neutrones o la explosión de estrellas, que son lo suficientemente activas y violentas para deformar la complicada y rígida tela del espacio-tiempo, causando su expansión y contracción.

Pero como se puede imaginar, esos cambios normalmente no son perceptibles. Si lo fueran, veríamos los relojes funcionando de forma incoherente y los paisajes extendiéndose y comprimiéndose todo el tiempo. Aun así, las ondas gravitacionales nos están atravesando en este momento, afirma Alan Weinstein, líder del equipo del LIGO en Caltech. Apostaría mi brazo izquierdo a que es verdad. Y soy zurdo.

Eso significa que a medida que estas ondas sumamente potentes se extienden por la Tierra, su efecto es demasiado difícil de medir de forma apropiada. La extensión y contracción del espacio es increíblemente pequeña, afirma Weinstein, destacando que una onda gravitacional de paso puede cambiar la distancia entre dos personas sentadas a un metro de distancia por solo 10-21 metros. Eso se encuentra en el orden de una millonésima parte del diámetro de un protón, una de las partículas que conforman el núcleo de un átomo.

Pero si se colocan dos espejos a cuatro kilómetros de distancia, como lo hizo el LIGO y el efecto de dicha onda gravitacional es de hasta una diezmilésima parte del diámetro de un protón. Eso podemos hacerlo, afirma Weinstein.

LIGO utiliza dos detectores idénticos en forma de “L” instalados a un continente de distancia, en Livingston, Louisiana y en Hanford, Washington. Para que una señal de onda gravitacional se considere real, debe aparecer en ambos detectores, compuestos por dos conjuntos de espejos colocados de forma perpendicular uno del otro. Una onda gravitacional de paso extenderá el espacio-tiempo en una dirección y lo comprimirá en otra, causando un cambio inimaginablemente pequeño en la longitud de los brazos de los detectores, lo cual se mide mediante un láser.

El aparato es el dispositivo de medición más sensible del planeta, y además de las ondas gravitacionales, puede detectar vibraciones de camiones que pasan, terremotos, descargas de rayos a seis estados de distancia, señales de satélites de posicionamiento global y pulsos electromagnéticos en la atmósfera superior de la Tierra. Todo ese ruido debe filtrarse para obtener la minúscula señal de las ondas gravitacionales.

Tras décadas de planificación y drama político, los detectores del LIGO primero intentaron escuchar las ondas gravitacionales en 2002; luego de ocho años de silencio, los detectores se apagaron en 2010 y luego fueron aislados contra el ruido de interferencia.

Por lo tanto, cuando las observaciones avanzadas del LIGO comenzaron de nuevo el 18 de septiembre, los científicos eran optimistas de que encontrarían algo.

En un extraño giro del destino, ya tenían una detección en sus manos. Los detectores habían estado activados y funcionando antes de que comenzara la observación oficial y ya había captado una señal extremadamente tentadora. Primero llegó al detector de Louisiana y siete milisegundos después, apareció en Washington.

"Cuando surgió este evento, confiamos bastante en que fuera uno bueno. ¿Nos sorprendió que fuera demasiado bueno para ser verdad? Absolutamente. Mi reacción fue, guau. No podía creerlo", comenta Reitze.

Cuando los agujeros negros colisionan

Con unas cuantas ecuaciones de Einstein, los científicos hicieron un retroceso desde las ondas observables para determinar qué tipo de evento astrofísico era el culpable. En este caso, dichas ecuaciones sugerían que la causa era la colisión de dos agujeros negros y que cuando confluyeron, formaron un nuevo agujero negro, uno con un poco más de 60 masas solares.

Los agujeros negros, formados por la muerte y el colapso de estrellas masivas, se encuentran entre los objetos más extraños del universo que conocemos, si es pueden llamarse objetos. Es fácil pensar que un agujero negro es una aglomeración de materia tan densa que su gravedad atrapa a todo lo que se acerca demasiado, incluso la luz. Pero los agujeros negros son menos cosas u objetos que las regiones con un espacio-tiempo intensamente curvo y sin fondo. Por lo tanto, cuando dos agujeros negros se fusionan, el evento es de todo menos común y corriente.

"Es una especie de desorden turbulento de espacio curvo y que cambia rápidamente", describe Weinstein.

En la colisión que detectó el LIGO, los dos agujeros negros se habían movido lentamente en forma de espiral uno alrededor del otro durante millones o miles de millones de años. Pero como los dos cuerpos de a poco se acercaron cada vez más, sus órbitas aceleraron hasta que eventualmente se movían en forma de remolino uno alrededor del otro más o menos a la velocidad de la luz y emitían cantidades gigantescas de energía en forma de ondas gravitacionales que deformaban el espacio.

Luego los agujeros negros se fusionaron. En el último segundo antes de ese evento, los remolinantes agujeros negros emitieron más energía que la emitida por todo el universo en todas las formas de radiación. Una vez combinados, el amalgamado agujero negro resultante se bamboleó por un tiempo antes de estabilizarse, emitiendo lo que se conoce como “ringdownr”, o una especie de jadeo final antes de calmarse.

Es una historia impresionante, relatada por los cambios infinitamente pequeños en la distancia entre los espejos en la Tierra.

"Los datos parecen demasiado increíbles", afirma el astrónomo Scott Ransom del Observatorio Radioastronómico Nacional, que vio el manuscrito del equipo, publicado en Physical Review Letters. Al ver las ondas en los resultados del detector “sin editar”, sin manipulaciones estadísticas especiales, es más de lo que casi cualquier persona hubiese deseado.

Los científicos del equipo del LIGO confían en que la señal es real; de hecho, calcularon que una falsa alarma tan convincente no llegaría más de una vez cada 200.000 años. Ese no es el caso de todas las posibles detecciones de ondas gravitacionales que el equipo ha recolectado hasta ahora. El LIGO encontró al menos un candidato a señal más el 12 de octubre producido por la fusión de agujeros negros, pero los científicos no pueden decir con seguridad que no es una falsa alarma.

Nueva era y otras búsquedas

El descubrimiento marca la primera vez que los científicos han captado de forma directa las ondas gravitacionales, pero no es la primera prueba de su existencia. En 1974, Joe Taylor y Russell Hulse detectaron lo que entonces era un nuevo y exótico tipo de objeto: Un púlsar binario o dos estrellas de neutrones remolineando una alrededor de la otra. El equipo determinó que las órbitas de los púlsares se estaban reduciendo y descubrieron que la única forma en que podía suceder es si las ondas gravitacionales transportaban energía hacia afuera del sistema.

El descubrimiento, que demostró sin dudas la existencia de las ondas gravitacionales, hizo que Taylor y Hulse ganaran el Premio Nobel de Física en 1993.

La diferencia aquí es que el equipo del LIGO ha tenido éxito al observar de forma directa las ondas gravitacionales en la Tierra, un descubrimiento que dará inicio a una nueva era en la astronomía y ayudará a los astrónomos a observar con mayor profundidad el cosmos.

Ver el universo en ondas gravitacionales podría ser similar a la primera vez que los científicos dirigieron un par de lentes infrarrojos, de rayos X o de microondas hacia el cielo. Durante milenios, la astronomía se había realizado en longitudes de onda visibles; los humanos podían ver las estrellas y los planetas, y observar sus movimientos a lo largo del cielo. Pero el universo infrarrojo está repleto de las aglomeraciones calientes y oscuras en que nacen esas estrellas, el universo de rayos X está repleto de cuerpos estelares y el universo de las microondas está lleno de restos térmicos del Big Bang. Observar el cielo utilizando ondas gravitacionales revolucionará la astronomía de la misma manera.

"Es una nueva forma de estudiar los fenómenos y objetos distantes en el universo, a los cuales la radiación electromagnética no nos ha permitido llegar bien", afirma Taylor, astrofísico de la Universidad de Princeton, utilizando el ejemplo de los agujeros negros. "Tenemos la sospecha de que es probable que estas cosas existan y hemos visto la evidencia de los agujeros negros en los centros de las galaxias, y ahora tendremos algún tipo de forma directa de medirlos que es bastante diferente", agregó.

No solo eso, en la próxima década, otros experimentos también podrían detectar ondas gravitacionales. Uno de ellos, llamado Observatorio Norteamericano de Nanohertzs para Ondas Gravitacionales (North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves, NANOGrav), utiliza púlsares de milisegundos, que mantienen un tiempo excepcionalmente preciso, como detectores naturales de ondas gravitacionales. A medida que las ondas atraviesan los púlsares, interrumpen por un periodo breve el tiempo de giro de la estrella muerta, dejando una huella indicadora que se puede rastrear a lo largo del cielo.

A diferencia de LIGO, que es sensible a las ondas gravitacionales producidas por cataclismos de masa estelar, estos despliegues de tiempo de púlsares detectarán las ondas mucho más extensas producidas por los agujeros negros supermasivos que giran en espiral, los drenajes cósmicos que se arremolinan en los centros de las galaxias.

"Nosotros somos sensibles a las decenas de miles de años anteriores a la combinación de esos agujeros negros supermasivos debido a que en ese momento emiten las ondas gravitacionales en nuestra banda de frecuencias", explica Ransom. "Estamos hablando de miles de millones, al menos cientos de millones de masas solares".

Otro experimento propuesto sería el lanzamiento al espacio de un observatorio de ondas gravitacionales, llamado eLISA [Evolved Laser Interferometer Space Antenna (Antena Espacial de Interferometría Láser evolucionada)], que sería sensible a las ondas producidas por todo tipo de sistemas astrofísicos. Y luego existen equipos que buscan ondas gravitacionales primordiales, producidas durante un periodo de expansión cósmica rápida en los comienzos del universo. En 2014, el equipo de BICEP2 [Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization (Imágenes del fondo de polarización extragaláctica cósmica)] anunció que había descubierto estas ondas gravitacionales, pero la señal resultó ser una oscura huella digital en lugar de una inflacionaria.

Pasará un tiempo antes de que la astronomía de ondas gravitacionales se generalice. Pero cuando lo haga, esos eventos cósmicos extremos e invisibles que hasta ahora han permanecido en el ámbito de las matemáticas ingresarán en lo observable, poblando al universo con un conjunto completamente nuevo de misterios por resolver.

Nadia Drake es una periodista de Ciencia, quien escribe el blog de National Geographic, No Place Like Home. Síguela en Twitter.

Artículo publicado el 11 de febrero de 2016.