“Señoras y señores, hemos detectado Ondas gravitacionales. Lo hicimos”. Estas fueron las palabras de David Reitze, director ejecutivo del laboratorio LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) en el Instituto de Tecnología de California, con las que anunció el evento que marca el inicio de una nueva manera de estudiar al Universo: la astronomía gravitacional.
Tanto en el anuncio oficial como en el artículo publicado, los científicos involucrados en el hallazgo aseguran que esta es la primera vez que se observan dos agujeros negros fusionarse –para formar uno más masivo–, y la primera detección directa de ondas gravitacionales.
Los movimientos más destacados que se pueden observar en las gráficas son resultado de la medición de las ondas gravitacionales en la fracción final de tiempo durante la fusión de ambos agujeros negros, de la observación que permitió dicho hallazgo y que se llevó a cabo el 14 de septiembre de 2015. Figura 1 del artículo arbitrado (Abbott et al., 2016).
El grupo de trabajo del LIGO fue capaz de detectar ondas gravitacionales formadas en una fracción de segundo luego de la fusión de dichos agujeros, las cuales tienen una proporción de tres veces la masa de nuestro Sol. La señal de ondas que se registró por los detectores del Observatorio es tan fuerte, que es posible observarla en las gráficas a simple vista y sin necesidad del uso de matemáticas complicadas para identificarlas (ver imagen).
De la observación también fue posible calcular la masa de los dos agujeros negros —de 29 y 36 veces la masa del Sol cada uno—, y la fecha en la que ocurrió la fusión de los agujeros: hace 1.3 miles de millones de años.
Además, gracias al trabajo realizado por los investigadores del LIGO, ahora que sabe que las ondas gravitacionales viajan a la velocidad de la luz y que la gravedad no tiene masa, dos puntos esenciales de lo predicho en la teoría general de la relatividad propuesta por Albert Einstein hace cien años.
Es importante destacar que en la década de los 70 y 80 ya se había demostrado la existencia de las ondas gravitacionales, evento que los autores del trabajo actual reconocen. La diferencia es que ahora se ha podido dar evidencia directa de éstas, mientras que la detección que tuvo lugar hace poco más de cuarenta años se realizó de manera indirecta.
El secreto a voces de la física
Los rumores sobre la existencia de evidencia de las ondas gravitacionales comenzaron un mes antes del anuncio oficial. Con un tweet, el físico Lawrence M. Krauss, del MIT, anunciaba que “el rumor sobre LIGO ha sido confirmado por fuentes independientes. ¡Las ondas gravitacionales podrían haber sido descubiertas!”. Entonces comenzó la consternación entre la comunidad científica y los medios de comunicación.
Para fortuna de los más puristas de la ciencia, el anuncio oficial vino acompañado de un artículo científico arbitrado –con el valor agregado de ser de acceso gratuito–, un protocolo que en la esfera científica se interpreta como la confirmación de la seriedad del trabajo. Recordemos que hace un par de años, cuando la NASA anunció el descubrimiento de Arsénico en la cadena de ADN de una bacteria, lo hizo primero a través de un anuncio oficial sin artículo arbitrado de por medio. El hallazgo terminó siendo un fraude.
Hasta antes del LIGO, los estudios para dilucidar la naturaleza de las ondas gravitacionales se había hecho de manera indirecta, lo que abría paso a la posibilidad de toparse con falsos-positivos, con datos con ruido e interferencia, y sin evidencia contundente. Es gracias a este trabajo que la comunidad científica será capaz de conocer lo que está sucediendo en el Universo con una precisión inigualable. A partir de ahora, los proyectos que se planteen en torno al estudio fenómenos de grandes magnitudes energéticas en el Universo serán desarrollados partiendo del supuesto que es posible medir –y escuchar- a las ondas gravitacionales
Qué son las ondas gravitacionales y por qué es el sonido del Universo
Las ondas gravitacionales son ondulaciones en la estructura del tiempo-espacio causadas por procesos violentos y llenos de energía en el Universo. Como las ondas que se producen cuando se avienta una piedra a un estanque. Su existencia se debe a la interacción –aceleración– de grandes objetos, como que una estrella explote, que dos estrellas estén orbitando una muy cerca de a otra, o que dos agujeros negros choquen entre ellos. Dichas ondas, provenientes de la fuente que las produjo, se disipan en todas direcciones a la velocidad de la luz, comprimiendo y expandiendo el espacio-tiempo por el que fluyen.
En el caso de un evento como el que fue observado por los investigadores del LIGO, la relatividad general sostiene que cuando dos agujeros negros orbitan entre ellos, pierden energía a través de la emisión de ondas gravitacionales, lo que genera que se acerquen de forma gradual y de forma más rápida en sus últimos minutos de existencia. Cuando finalmente colisionan, lo hacen a casi la mitad de la velocidad de la luz y forman un solo agujero negro. Una porción de la masa de los dos agujeros negros se convierte en energía. De ahí que la fórmula tan famosa de E=mc2 haga referencia a la E de energía, y a la m de masa. Ésta última es emitida en forma de onda gravitacional.
En términos estrictos, el sonido en el espacio es inexistente –por eso los efectos especiales de sonido de Star Wars son pura ficción y el silencio de 2001: A space odyssey es bastante certero–. Sin embargo, los científicos se han referido a estas ondas como el “sonido del Universo”, porque los encargados del proyecto modelaron la señal de las ondas gravitacionales como sonidos basados en las frecuencias de ondas que los detectores del LIGO pudieron percibir. Aquí puedes escuchar el sonido de las ondas.
Los antecedentes de la propuesta y el estudio de las ondas gravitacionales
En 1916, Einstein predijo la existencia de ondas gravitacionales. Los físicos de su época discutieron mucho sobre esta nueva propuesta y su relevancia con los fenómenos causantes, como el choque de agujeros negros o el mismísimo Big Bang –aunque a las ondas que resultaron de la primerísima explosión en el Universo se les conoce como ondas gravitacionales primordiales, y el enfoque de estudio es diferente. Lo curioso es que el físico alemán cambió varias veces de parecer, e incluso existe correspondencia escrita por él en donde sus sospechas con respecto a que una gran explosión hubiera comenzado el Universo se hacen constar.
Desde hace cien años, los científicos habían puesto manos a la obra para confabular métodos que permitieran develar los postulados de Einstein pues, como dijera Marcello Truzzi y popularizara Carl Sagan: “las afirmaciones extraordinarias requieren de evidencia extraordinaria”.
Los primeros hallazgos que tuvieron relación con la teoría de la relatividad de Einstein ocurrieron apenas unos años después de la publicación de sus propuestas, para las épocas en que el físico se casaba con su prima y se hacía mundialmente famoso por las observaciones de Sir Arthur Eddington: gracias a un eclipse solar, Eddington comprobó que el movimiento de la luz sufría un cambio por la incidencia gravitacional de otro cuerpo. También, en esos mismos años, Edwing Hubble comenzaba su carrera como astrónomo. Fue su trabajo en el Mount Wilson Observatory lo que le permitió demostrar que el Universo se estaba expandiendo. La comunidad científica, e incluso el mismo Einstein, quedaron sorprendidos.
Sin embargo, la evidencia con respecto a las ondas gravitacionales tuvo que esperar. Durante los últimos años de vida de Einstein, los científicos comenzaron a trabajar con base en observaciones de radiación electromagnética, como rayos X o microondas. Incluso en la década de los cincuenta se hablaba de radiación de fondo cósmico. Casi veinte años después del fallecimiento de Einstein, en 1978, dos científicos ganaron el Nobel de física por el descubrimiento –accidental– de la evidencia de este tipo de radiación. Lamentablemente, las ondas gravitacionales no son lo mismo que la radiación electromagnética. Las ondas gravitacionales no interactúan con la materia, a diferencia de la radiación electromagnética, lo que hace que no haya interferencia de información al moverse en el espacio –como con planetas o estrellas– y se obtenga un panorama amplio de los eventos que las causan. Es por eso que, debido a que no se contó con los instrumentos que permitían detectar y medir a las ondas durante décadas, se tuvo que recurrir al estudio del Universo con métodos indirectos.
La búsqueda de ondas gravitacionales ha sido tema de discusiones acaloradas desde el siglo pasado. Tan solo en 1969, el físico Joseph Weber anunció haberlas descubierto, pero su trabajo fue desacreditado por casi toda la comunidad científica. Fue en 1974 cuando dos investigadores hallaron el primer pulsar binario –una estrella de neutrones que emite radiación intensa acompañada de una estrella enana blanca o de otra de neutrones– que cumplía con un movimiento predicho por Einstein. El trabajo fue reconocido en 1993 con el Nobel de Física por ser una evidencia indirecta de las ondas gravitacionales, y porque abría nuevas posibilidades “para el estudio de la gravedad”.
El Nobel fue un incentivo importante para continuar con la búsqueda de evidencia directa, y fue también uno de los factores que llevó a la fundación del LIGO en 1984, el observatorio de dos estaciones que le pertenece conjuntamente al Caltech y al MIT. La razón por la que se tienen dos sitios de trabajo en dos zonas opuestas y separadas por más de tres mil kilómetros es porque si una de las estaciones recibe una señal de onda gravitatoria, la otra debe hacerlo también. En caso de que solo una de las estaciones lo haga, se tratará entonces de un falso positivo (como el paso de un camión muy grande por la zona).
Este hallazgo muestra que la profesión científica no deja de satisfacernos con descubrimientos asombrosos. Da cuenta de un proceso de investigación que tomó cien años, desde su postulación hasta su demostración. De cómo la humanidad ha trabajado de forma incansable y conjunta para dar evidencia experimental a una idea que salió de la mente de un personaje que aún sigue explicando el Universo.
Fuentes:
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