Siente la fuerza: ondas gravitatorias

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A las 10:50:45 de la mañana del 14 de septiembre de 2015 dos enormes detectores de 4 kilómetros cada uno y situados a 3000 kilómetros uno del otro registraron simultáneamente, durante 35 segundos, una ligerísima oscilación, apenas equivalente al tamaño de un núcleo de hidrógeno. Cinco meses de análisis después se confirmaba el resultado: por primera vez se habían detectado directamente las ondas gravitatorias predichas por la teoría de la relatividad de Albert Einstein cien años antes. Vibraciones del espacio-tiempo producidas por el choque de dos agujeros negros 62 veces más masivos que el Sol hace 1300 millones de años. 

TEXTO POR ANTONI MUNAR
ILUSTRADO POR MARINA MANDARINA
ARTÍCULOS
ASTRONOMÍA | FÍSICA
12 de Febrero de 2016

Pero ¿qué es una onda gravitatoria? ¿Qué significa que el espacio-tiempo vibre? ¿Cómo se detecta una onda de este tipo? Y en definitiva, ¿qué (inmensas) consecuencias tiene que el ser humano sea capaz de escuchar los restos de una explosión de tal magnitud que perturbó el tejido del espacio-tiempo hace miles de millones de años? 

La fuerza de la gravedad es la fuerza que más directamente percibimos. Determina cómo nos desarrollamos y vivimos —los trastornos de los cuerpos de los astronautas en su ausencia es buena prueba de ello— y paradójicamente, es sobre la que menos sabemos y la que menos podemos manipular. Eso es así por dos motivos: en primer lugar, porque de todas las fuerzas conocidas es, con gran diferencia, la más débil. Aproximadamente 1 partido por 100... y 34 ceros más, más débil que la fuerza eléctrica. Por este motivo es muy difícil de estudiar en condiciones de laboratorio. En segundo lugar, porque es una fuerza únicamente de atracción. No se puede anular con una fuerza de repulsión, como en el caso eléctrico. Esto hace que resulte casi imposible de manipular.

La fuerza de la gravedad es la fuerza que más directamente percibimos y paradójicamente, es sobre la que menos sabemos y la que menos podemos manipular.

A día de hoy, no tenemos evidencias de qué es la fuerza de la gravedad, solo somos capaces de describirla matemáticamente, algo que el propio Newton enfatizó explícitamente. Sin embargo, para la fuerza eléctrica sí que disponemos de una teoría para explicar lo que es, con sus evidencias y consecuencias prácticas . La fuerza eléctrica es una clase especial de materia —el campo eléctrico— formado por partículas virtuales que al interaccionar con la materia «normal»  producen los efectos de la fuerza. Para la fuerza de la gravedad no disponemos de la evidencia de partículas virtuales (gravitones) y las teorías correspondientes están plagadas de grandes dificultades matemáticas.

Después de Newton en el siglo XVIII, el mayor avance en la comprensión de lo que es la gravedad lo consiguió hace un siglo Einstein, al formular una teoría —comprobada experimentalmente— más precisa y general que la de Newton sobre cómo es la fuerza de la gravedad. En la teoría de Einstein, la gravedad se puede considerar el efecto de la deformación del espacio-tiempo, algo así como el tropezón que sentimos al bajar un escalón sin darnos cuenta porque repentinamente el suelo no es como esperamos. Un cuerpo atrae gravitatoriamente a otro porque deforma el espacio-tiempo a su alrededor. A grandes rasgos, Einstein llegó a esta teoría al observar que la única forma de anular la gravedad es «cayendo» con aceleración, como los astronautas cuando se entrenan «cayendo» en los aviones de la NASA y no «sienten» los efectos de la gravedad contra las paredes del avión. Y en un sistema que «cae», las relaciones geométricas percibidas entre las cosas son bastantes particulares con respecto a un sistema que esta «en reposo», y eso se puede interpretar —y calcular— como fuerza gravitatoria.

En la teoría de Einstein, la gravedad se puede considerar el efecto de la deformación del espacio-tiempo, algo así como el tropezón que sentimos al bajar un escalón sin darnos cuenta porque repentinamente el suelo no es como esperamos.

Una consecuencia inesperada de las ecuaciones de Einstein, y que él mismo descubrió, es que existen soluciones a esas ecuaciones en las que la fuerza de la gravedad, esas perturbaciones del espacio-tiempo, se pueden propagar de un sitio a otro como las ondas en la superficie de un estanque o como las ondas de radio, a las que matemáticamente son muy parecidas aunque difieren en su intensidad. Por ser la fuerza de la gravedad tan débil, incluso las perturbaciones producidas por explosiones cósmicas de objetos comparables a nuestro Sol solo produciría movimientos del tamaño de fracciones de átomos en objetos de escala humana. 

Las únicas fuentes de ondas gravitatorias sobre las que cabría la esperanza de que fuesen detectadas por su intensidad son los distintos «eventos» cósmicos que se dan, aleatoriamente, con cierta frecuencia. Uno de ellos, pero no el único, es la colisión de dos estrellas con tanta masa que ni siquiera la luz puede escapar y vencer a la fuerza gravitatoria: los agujeros negros. Dos de ellos colisionaron hace 1300 millones de años. En su colisión, una parte de su masa, aproximadamente como dos o tres soles nuestros, se convirtió en energía en forma de ondas gravitatorias, que son las que hemos detectado ahora en la Tierra.

Las ondas gravitatorias al propagarse producen alteraciones del espacio-tiempo que hacen que los cuerpos se muevan unos con respecto a otros, como cuando sacudimos un mantel en una mesa y se mueven los cubiertos. Las ecuaciones de Einstein son extremadamente complicadas, pero con la ayuda de superordenadores se pueden resolver y hacer predicciones. El problema radica en que son tan débiles que el movimiento que producirían en objetos de kilómetros de longitud es apenas del tamaño de átomos.

¿Cómo detectar esos movimientos? Una onda  gravitacional, al igual que una onda de radio, al propagarse tiene alternativamente distinta intensidad de izquierda a derecha que de arriba a abajo. En Estados Unidos, el detector LIGO consta de dos túneles de 4 kilómetros cada uno, dispuestos perpendicularmente en forma de «L». En ellos, en tubos de alto vacío y reflejados en espejos con complejos sistemas para evitar todo tipo de vibraciones (térmicas, cuánticas o producidas por los continuos temblores de la tierra), dos rayos láseres miden la distancia de cada uno de los túneles. Y lo pueden hacer con una precisión fantástica de fracción de átomo gracias al fenómeno de la interferencia. Cuando dos rayos láseres salen juntos y vuelven juntos, cualquier diferencia en el camino recorrido por uno de ellos se refleja en cómo interaccionan cuando se vuelven a juntar, de las misma forma que vemos figuras caprichosas cuando agitamos suavemente con las dos manos la superficie del agua en calma. El problema reside en que a pesar de todas las medidas, todavía existen vibraciones aleatorias de los espejos imposibles de evitar, que pueden enmascarar el efecto. Para combatir este efecto se recurre a una última técnica: las coincidencias. Si tenemos dos detectores lo suficientemente alejados, digamos 3000 km, es prácticamente imposible que se vean afectados en la misma medida por una vibración aleatoria, pero sí que se verán afectados de una forma precisa por una onda gravitacional que pase por allí. Se detectará la misma vibración pero con un cierto retraso: el tiempo que tarda la onda en llegar a un detector y después al otro. Eso es justamente lo que detectó LIGO. Una perturbación primero en un detector, de forma muy característica, y una segunda en otro de los detectores, de la misma forma pero 0,007 segundos después, lo que tarda la luz en recorrer la distancia que los separa. Cálculos teóricos posteriores para simular qué forma tendría la señal de una onda gravitatoria producida por la colisión de los agujeros negros y compararla con la registrada, viendo que coinciden, tal y como podemos apreciar en la imagen, junto a una detectivesca búsqueda para descartar cualquier fenómeno que pudiera dar una señal parecida sin tener relación alguna con las ondas gravitatorias, han dado como resultado (con los datos actuales) por primera vez, una onda gravitacional producida hace 1300 millones de años.

Señal registrada en el detector de Washington (izquierda superior), superpuesta con el detector en Lousiana (derecha superior) y superpuesta con predicciones numéricas a partir de la teoría de Einstein (parte inferior)
Señal registrada en el detector de Washington (izquierda superior), superpuesta con el detector en Lousiana (derecha superior) y superpuesta con predicciones numéricas a partir de la teoría de Einstein (parte inferior) Fuente: Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger. B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration). Phys. Rev. Lett. 116, 061102 – Published 11 February 2016

¿Y por qué es un descubrimiento fundamental? Porque al igual que las ondas de radio o el sonido, las ondas gravitatorias transportan información. Las imágenes y sonidos de lo que está sucediendo a escalas galácticas, y quién sabe si dentro de poco podremos descubrir lo que sucede a escalas más cercanas, en una dimensión fundamentalmente nueva. Hoy la humanidad es capaz de ver, vivir y experimentar un paso más en la inmensidad del Universo que nos rodea.

Las ondas gravitatorias transportan información. Las imágenes y sonidos de lo que está sucediendo a escalas galácticas

Referencias 

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