Simulación informática de ondas gravitacionales durante una colisión de dos agujeros negros. Crédito: MPI for Gravitational Physics/W.Benger-Zib.
Miles de personas en todo el mundo celebraron el pasado 11 de febrero el anuncio de la primera detección directa de las ondas gravitacionales – ondulaciones en el tejido del espacio-tiempo cuya existencia fue propuesta por primera vez por Albert Einstein, en 1916.
Las ondas tienen su origen en dos agujeros negros en rotación mutua, cada vez a menor distancia, hasta que finalmente colisionaron. El recientemente renovado “Large Interferometer Gravitational Wave Observatory” (LIGO) capturó la señal el 14 de septiembre de 2015. No todos los descubrimientos científicos reciben tantísima atención, de modo que, ¿cuál es exactamente la clave de éste, y cuál es el futuro de LIGO ahora que ha detectado estas elusivas ondas?
En primer lugar, detectar la colisión de dos agujeros negros es excitante en sí mismo – nadie sabía con certeza si los agujeros negros podían unirse para crear nuevos agujeros negros aún más masivos, pero ahora existe una prueba física. Y también está la alegría de finalmente tener una prueba directa que se predijo hace 100 años, utilizando un instrumento propuesto cuatro décadas atrás.
Pero lo que es realmente monumental de la detección es que proporciona a la humanidad la capacidad de ver el universo de un modo totalmente nuevo, dicen los científicos. La capacidad de detectar directamente ondas gravitacionales – que se generan por la aceleración o desaceleración de objetos masivos en el espacio – se ha comparado con la posibilidad de que una persona sorda de repente pudiera ser capaz de oír. Un ámbito totalmente nuevo de información está ahora disponible.
“Es como cuando Galileo apuntó por primera vez un telescopio hacia el cielo”, afirmó la miembro del equipo de LIGO Vassiliki (Vicky) Kalogera, profesora de física y astronomía en la Universidad de Northwestern, en Illinois. “Estamos abriendo los ojos – en este caso, nuestros oídos – a un nuevo conjunto de señales del universo que las tecnologías anteriores no nos permitían recibir, estudiar o analizar”.
“Hasta hoy, hemos sido sordos en cuanto a las ondas gravitacionales”, dijo David Reitze, Director Ejecutivo de LIGO en el California Institute of Technology (Caltech), durante la ceremonia del anuncio del descubrimiento en Washington, D.C. “A partir de ahora escucharemos más cosas, y sin duda oiremos cosas que esperábamos… pero también otras que jamás hubiéramos esperado”.
Con este nuevo sentido para percibir el universo, éstos son varios de los descubrimientos que los científicos esperan realizar.
Una nueva ventana al universo
LIGO es particularmente sensible a las ondas gravitacionales causadas por eventos cósmicos violentos, como la colisión de dos objetos masivos o la explosión de una estrella. El observatorio tiene el potencial de localizar estos objetos o eventos antes de que puedan hacerlo los telescopios que captan la luz, y en varios casos, las observaciones de ondas gravitacionales serían la única forma de encontrar y estudiar estos acontecimientos.
Por ejemplo, durante el reciente anuncio se informó que LIGO había identificado dos agujeros negros rodeándose mutuamente y posteriormente fusionándose en una energética colisión final. Como su nombre indica, los agujeros negros no emiten luz, o sea que son invisibles para los telescopios que observan y estudian la radiación electromagnética. Algunos agujeros negros son visibles para los telescopios basados en luz, por la radiación del material que los rodea, pero los astrónomos no han observado ejemplos de fusiones de agujeros negros con material visible a su alrededor.
Además, los agujeros negros detectados por LIGO tienen una masa 29 y 36 veces mayor que la del Sol respectivamente. Pero Reitze dijo que a medida que la sensibilidad de LIGO sigue aumentando, el instrumento podría detectar agujeros negros con una masa 100, 200 o incluso 500 veces superior a la del sol, y que están más lejos de la Tierra. “Podría haber un espectacular espacio para el descubrimiento una vez lleguemos a allí”, dijo.
Los físicos saben que estudiar el cielo con distintas longitudes de onda revela nuevos datos acerca del cosmos. Durante muchos siglos, los astrónomos sólo podían trabajar con luz óptica. Pero en tiempos relativamente recientes, se construyeron instrumentos para estudiar el universo usando rayos X, ondas de radio, ondas ultravioleta y rayos gamma. Con cada uno, los científicos obtuvieron una nueva visión del universo.
Del mismo modo, las ondas gravitacionales tienen el potencial para mostrar cualidades totalmente nuevas de los objetos cósmicos, explicaron los miembros del equipo de LIGO.
“Si alguna vez tuviéramos la suerte de ver una supernova en nuestra propia galaxia, o quizás en una galaxia cercana, seríamos capaces de observar la dinámica real de lo que sucede en el interior de una supernova”, dijo el cofundador de LIGO Rainer Weiss del MIT, quien habló en la ceremonia del anuncio. Mientras la luz suele quedar escondida tras el polvo y el gas, “las ondas gravitacionales salen directamente [de la supernova], sin ningún impedimento”, explicó Weiss. “Es por esto que realmente se puede descubrir lo que sucede dentro de estos objetos”.
Otros objetos exóticos que los científicos esperan estudiar con las ondas gravitacionales son las estrellas de neutrones, que son cadáveres de estrellas consumidas inimaginablemente densas. Una cucharada de café de la materia de una estrella de neutrones pesaría unos mil millones de toneladas en la Tierra. Los físicos no están seguros de lo que le ocurre a la materia normal bajo estas extremas condiciones, pero las ondas gravitacionales pueden ofrecer pistas muy útiles, porque estas ondas deberían transmitirnos información acerca del interior de una estrella de neutrones, afirmó el equipo de LIGO.
LIGO también tiene un sistema configurado para alertar a los telescopios ópticos cuando el detector puede haber detectado una onda gravitacional. Algunos de los acontecimientos astronómicos que LIGO estudiará, como la colisión de estrellas de neutrones, pueden producir luz en todas las longitudes de onda, desde rayos gamma a ondas de radio. Con el sistema de alerta de LIGO, los físicos podrían observar algunos acontecimientos astronómicos u objetos en varias longitudes de onda de la luz, más las ondas gravitacionales, lo que proporcionaría una “visión muy completa” de esos eventos, dijo Reitze.
“Cuando suceda será, creo, el próximo gran acontecimiento en este campo”, añadió.
Relatividad
Las ondas gravitacionales fueron pronosticadas por primera vez por la teoría de la relatividad de Einstein, publicada en 1916. Esta famosa teoría ha resistido todo tipo de pruebas físicas, pero hay ciertos aspectos que los científicos no han podido estudiar en el mundo real, porque requieren circunstancias extremas. La extrema deformación del espacio-tiempo es un ejemplo de ello.
“Hasta hoy, sólo hemos visto espacio-tiempo distorsionado cuando hay mucha calma – como si viéramos la superficie del océano durante un día muy tranquilo”, explicó Kip Thorne de Caltech, otro miembro fundador de LIGO y experto en la curvatura del espacio-tiempo. “Nunca habíamos visto el océano agitado durante una tormenta, con olas chocando. Todo esto cambió el 14 de septiembre. La colisión de los agujeros negros que causaron estas ondas gravitacionales crearon una violenta tormenta en el tejido del espacio-tiempo”.
“Esta observación prueba esos supuestos de forma muy bella, muy contundente”, prosiguió Thorne, “y Einstein reaparece con un brillante éxito”.
Pero el estudio de la relatividad general vía ondas gravitacionales está lejos de haber concluido. Quedan por resolver preguntas acerca de la naturaleza del gravitón, la partícula que supuestamente transporta la fuerza gravitacional (del mismo modo que el fotón es la partícula que transporta la fuerza electromagnética). Y los científicos tienen muchas interrogantes alrededor de lo que sucede en el interior de los agujeros negros, que las ondas gravitacionales podrían iluminar (por decirlo de algún modo). Pero todo esto, dicen los físicos, será revelado lentamente, a lo largo de los años, a medida que LIGO y otros instrumentos acumulen más datos sobre otros eventos.
Un legado para el futuro
En los próximos tres años los esfuerzos se centrarán en incrementar la sensibilidad de LIGO hasta su máximo potencial, anunció Reitze. El observatorio – que consiste en dos grandes detectores, uno en Louisiana y el otro en el Estado de Washington — será más sensible a las ondas gravitacionales. Pero los expertos no saben cuántos acontecimientos será capaz de ver LIGO, porque desconocen la frecuencia de estos eventos en el universo.
LIGO detectó la fusión de los agujeros negros binarios incluso antes de la primera campaña de observación oficial del instrumento tras su reciente renovación, pero es posible que fuera sólo un golpe de suerte. Para poner en marcha el tren de la astronomía gravitacional, LIGO simplemente necesita más datos.
Cuando se le pidió que comentara el impacto de LIGO en el mundo más allá de la comunidad científica, y cómo puede influir la ciencia de las ondas gravitacionales en el día a día de la gente, Reitzer dijo: “¿Quién sabe?”.
“Cuando Einstein predijo la relatividad general, ¿quién hubiera pronosticado que la usaríamos diariamente en nuestros teléfonos móviles?”, preguntó. (La relatividad general proporciona el conocimiento de cómo la gravedad influye sobre el paso del tiempo, y esta información es necesaria para la tecnología de los GPS, que usa satélites que orbitan más lejos de la atracción gravitatoria de la Tierra de la que siente la gente en la superficie).
LIGO es el “instrumento más sensible jamás construido”, dijo Reitze, y los avances tecnológicos realizados durante la construcción del observatorio pueden alimentar tecnologías que serán utilizadas en formas que todavía no se pueden predecir.
Thorne comentó que él ve la contribución de LIGO de manera algo distinta.
“Cuando recordamos la era del Renacimiento y nos preguntamos, ‘¿Qué aportaron los humanos de esa era que tenga importancia para nosotros hoy en día?’, creo que todos estaríamos de acuerdo en que es el arte, una gran arquitectura y una gran música. De modo similar, cuando nuestros descendientes miren atrás hacia nosotros y se pregunten qué fue lo que les dejamos en herencia… Creo que será la comprensión de las leyes fundamentales del universo y de su función en el cosmos, así como la exploración espacial”, dijo Thorne.
“LIGO es una parte importante de esto. El resto de la astronomía también supone una parte importante de esto. Y pienso que la herencia cultural para las futuras generaciones es realmente mucho más grande que cualquier tipo de derivado tecnológico, o los avances tecnológicos de cualquier tipo. Creo que debemos estar orgullosos del legado que dejaremos a nuestros descendientes culturalmente”.
Fuente: SPACE