Einstein, las ondas gravitacionales y otra mirada al universo

Imagen de unas ondas gravitacionales, recientemente descubiertas. Foto:// EL MUNDO

Imagen de unas ondas gravitacionales, recientemente descubiertas. // Foto: ELMUNDO.es

Por Rafael Bachiller *

Hace tan solo unas semanas, concretamente el pasado 15 de junio, se ha anunciado la segunda detección de ondas gravitacionales. Según comunicó a la prensa un grupo de astrónomos, tales ondas se habían producido en un cataclismo cósmico que sucedió hace 1.400 millones de años, cuando los miembros de una pareja de agujeros negros se devoraron entre sí. Este descubrimiento seguía, y daba mayor fuerza y credibilidad, al primero que se había anunciado en febrero de este mismo año con gran revuelo en el mundo de la Física. ¿Por qué tanto revuelo? ¿Cuál es el interés de estas debilísimas ondas para físicos y astrónomos? ¿Por qué se trata de un descubrimiento histórico?

Para comprender el significado de estas ondas y de su descubrimiento debemos remontarnos al año 1915 cuando Albert Einstein, a sus 36 años de edad, refugiándose de las múltiples condiciones adversas que lo rodeaban (la guerra, la separación de su primera esposa, una salud precaria), ideó una de las teorías más bellas, abstractas y prodigiosas de la historia de la humanidad: la teoría de la Relatividad General. Esta teoría nos describe la realidad física como un intrincado entramado de espacio, tiempo, materia y energía en el que cada uno de estos ingredientes tiene un efecto sobre los otros.

Este mundo físico es, por tanto, muy diferente a aquél de Newton en el que espacio y tiempo eran unos marcos absolutos e inalterables en cuyo seno tienen lugar los movimientos de los cuerpos materiales. Muy al contrario, en el universo de Einstein una masa situada en una zona del espacio hace que, en su entorno, el tiempo transcurra más lentamente y que el espacio se deforme y, a su vez, esta deformación determina el movimiento de otros objetos próximos.

Una consecuencia teórica de la Relatividad General es que cuando las masas se mueven de manera acelerada deben producir unas ondulaciones o ‘arrugas’ en el espacio-tiempo que son conocidas como ‘ondas gravitacionales’. Al propagarse, estas ondas comprimen el espacio en algunas zonas y lo estiran en otras. Naturalmente, tras la enunciación de la Relatividad General y la llegada de las primeras pruebas que corroboraban su validez, los físicos se pusieron inmediatamente a pensar en la manera de llegar a detectar tales ondas gravitacionales.

Se ha necesitado un siglo de trabajo para lograr su detección. Y se ha necesitado tan largo tiempo porque las fluctuaciones producidas en el espacio por estas ondas tienen un tamaño típico que es una milésima parte del tamaño de un protón (una partícula de las que constituyen los átomos). Para llegar a detectarlas se necesitaban, por un lado, grandes masas (como las contenidas en los agujeros negros) que se muevan y que produzcan una buena cantidad de ondas y, además, un detector de altísima sensibilidad. Estas dos circunstancias se dieron por primera vez en el caso del experimento LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory)

Las detecciones realizadas por LIGO se basan en una técnica conocida como ‘interferometría láser’. Un rayo estrecho de luz láser es dividido y enviado en diferentes direcciones donde los haces luminosos se encuentran con espejos. Tras reflejarse en ellos, los haces de luz son recogidos en un detector. Si una onda gravitacional alcanza el interferómetro, la distancia entre espejos varía ligerísimamente y esta variación se traduce en una leve diferencia de fase entre los haces de luz.

Estas ondas son tan débiles que cualquier otro fenómeno en las proximidades del interferómetro puede causar ‘ruido’ que las enmascara. Para mejorar la sensibilidad en el proceso de detección, LIGO hace que sus haces de luz recorran 4 kilómetros en cada brazo del interferómetro, los detectores están suspendidos en el aire para evitar todas las vibraciones de la superficie terrestre y, finalmente, el interferómetro se construyó por duplicado, con una antena en el estado de Washington y otra en el de Luisiana, separadas por 3.000 kilómetros, de forma que una vez que llegase una onda extraterrestre pudiese detectarse en los dos lugares, y no quedase la duda de que la detección pudiese ser debida a un fenómeno local.  Todo sumado, un espectacular alarde tecnológico.

El 14 de septiembre de 2015, una débil señal llegó a ambos detectores de LIGO con una diferencia de 7 milisegundos. Tras todas las comprobaciones de rigor, se realizaron simulaciones numéricas con superordenadores que mostraban que esta señal se explicaba perfectamente mediante la fusión de dos agujeros negros de masas en rangos estelares. Concretamente, el modelo que mejor explica las observaciones es el de dos agujeros negros de 29 y 36 masas solares que colisionan para formar uno de 62 masas solares, emitiendo al espacio, en forma de ondas gravitacionales, una energía equivalente a tres veces la contenida en el Sol. Como la colisión tiene lugar en 20 milisegundos, resulta que, durante ese cortísimo periodo de tiempo, la potencia (energía por unidad de tiempo) emitida en el proceso es mayor que la suma de la potencia de todas las estrellas del universo conocido.

Las conclusiones de este experimento fueron anunciadas, con gran alegría en el mundo de la Física, el pasado mes de febrero y el pasado 15 de junio se ha anunciado el descubrimiento de otro evento similar. Dos medidas independientes, cada una con una medida doble (en cada una de las antenas de LIGO), no dejan ninguna duda de que las detecciones son reales. Estos experimentos no sólo corroboran la teoría de Einstein mediante la detección de las ondas gravitacionales, sino que ofrecen una nueva prueba de la existencia de los agujeros negros y de la posibilidad de la fusión entre ellos para formar otros más masivos.

¿Habrá aplicaciones ‘realmente’ prácticas de estas ondas? Desde luego el desarrollo de una tecnología tan exigente como la requerida por estos observatorios encontrará rápidamente aplicaciones en la vida diaria. Pero estas aplicaciones prácticas no son la única motivación de los físicos. Éstos también estudian las ondas gravitacionales para comprender la gravitación, un ingrediente esencial de la naturaleza, para llegar a explicar y predecir el comportamiento del universo de la manera más precisa posible.

En estas noches de verano en las que nuevamente nos visitan las Perseidas y, desde aquí en Guadalajara con sus espléndidos cielos donde el firmamento nocturno parece particularmente cercano, resulta reconfortante levantar la mirada hacia la bóveda celeste, dejándose embriagar por la belleza de planetas, estrellas y constelaciones.

Pensemos en estos momentos que también recibimos esas debilísimas ondas gravitacionales, aunque sólo puedan detectarse con unos equipos tecnológicos muy sofisticados. Estas ondas abren un nuevo capítulo en la observación del universo, pues hay fenómenos que no pueden ser estudiados mediante el análisis de la radiación electromagnética (parte de la cual detectan nuestros ojos). Los fenómenos relacionados con los agujeros negros y algunos que sucedieron poco después del Big Bang podrán ahora ser estudiados mediante estas ondas y resulta muy difícil prever qué fenómenos nuevos van a descubrirse gracias a ellas.

Foto:// EL MUNDO

Rafael Bachiller. // Foto: El Mundo.

Rafael Bachiller es un astrónomo de amplio prestigio internacional. Doctor en Físicas por las universidades Joseph Fourier de Grenoble y Complutense de Madrid, es especialista en formación estelar y en nebulosas planetarias, temas sobre los que ha publicado unos 250 artículos que han recibido millares de citas en la literatura especializada. Además es autor o editor de media docena de libros. Participa o ha participado en diversos proyectos de desarrollo de grandes instalaciones astronómicas, como el Observatorio de Yebes (Guadalajara), los Observatorios del IRAM (en Pico Veleta y en los Alpes) y el gran observatorio ALMA (en Atacama, Chile). Es director del Observatorio Astronómico Nacional (IGN), académico de la Real Academia de Doctores de España y miembro del Consejo Editorial de El Mundo. Además, Rafael Bachiller lleva casi 30 años residiendo en Guadalajara. Es patrono y asesor científico de la Fundación Siglo Futuro. Y, recientemente, fue galardonado con el Premio a la Excelencia Científica otorgado por la Junta de Castilla-La Mancha.

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