Ondas gravitacionales: una nueva era para la humanidad

Firma invitada

La Facultad de Ciencias de Bilbao comenzó su andadura en el curso 1968/69. 50 años después la Facultad de Ciencia y Tecnología de la UPV/EHU celebra dicho acontecimiento dando a conocer el impacto que la Facultad ha tenido en nuestra sociedad. Publicamos en el Cuaderno de Cultura Científica y en Zientzia Kaiera una serie de artículos que narran algunas de las contribuciones más significativas realizadas a lo largo de estas cinco décadas.

Estamos viviendo estos últimos años el inicio de una nueva era en el conocimiento humano, en el conocimiento de nuestro entorno y el Universo. Estamos ante el surgimiento de una nueva astronomía, la astronomía de ondas gravitacionales y multimensajero.

Para llegar a comprender lo que está pasando (y lo que está por pasar), y hasta qué punto es excepcional este periodo en la historia, debemos entender qué son las ondas gravitacionales. Con ese objetivo empezamos con el concepto de «onda» y sus propiedades. Como nos explican en el colegio, las ondas son distorsiones (que llamamos oscilaciones) de un medio, que se propagan de un sitio a otro transportando energía. Dependiendo del medio las ondas reciben diversos nombres. Cuando el medio es un material se llaman ondas mecánicas. En particular, cuando el material es aire se llaman «sonido», en la superficie del mar se llaman «olas»… y en el colegio nos solían decir que la luz no necesita medio para propagarse, que se propaga en el vacío. Esto no es del todo cierto, puesto que ya sabemos que en lo que usualmente llamamos «vacío» siempre hay campo electromagnético, y que la luz son ondas electromagnéticas, distorsiones de ese campo.

Toda onda tiene asociadas una serie de propiedades que se miden, como la amplitud (proporcional a la energía), frecuencia (número de oscilaciones por segundo) y la velocidad de propagación. Es importante saber que la velocidad de la onda sólo depende del medio. En el caso de las ondas electromagnéticas la velocidad es la denominada «c», la velocidad de la luz, que es aproximadamente unos 300.000 km/s. La luz visible son ondas electromagnéticas en un rango determinado de frecuencias, y la variación dentro de ese rango produce los colores del arco iris. En la frecuencia más alta tenemos el violeta, y en la más baja, el rojo. De hecho, en este mundo moderno estamos muy habituados a usar todo tipo de ondas electromagnéticas: a frecuencias más bajas que la luz de color rojo tenemos los infrarrojos del mando a distancia, más abajo, radares, y las microondas de nuestros hornos, y en las frecuencias más bajas, las ondas de radio para los wifis y los móviles. En frecuencias más altas a la luz violeta se hallan primero los rayos X, y en las más altas, los rayos gamma.

En cuanto al segundo concepto, «gravitacional», debemos recordar qué es la fuerza de la gravedad. Ya en 1905 la relatividad especial surgió en parte del hecho empírico de que la medición del tiempo y el espacio depende del observador. Este hecho, que se traduce en que el tiempo y el espacio están ligados, lleva a la construcción de una estructura (en principio matemática) muy concreta, a la que llamamos espaciotiempo. Diez años más tarde el mismo Einstein propuso con su Relatividad General que la gravedad no era más que la deformación del espaciotiempo. Además, analizando las ecuaciones que rigen el espaciotiempo determinó la existencia de oscilaciones del propio espaciotiempo que se propagan a la misma velocidad que la luz y que transportan energía. Así predijo las ondas gravitacionales.

En los mismos trabajos también dedujo qué puede generar esas ondas, y consiguió alguna estimación de los rangos de energía asociados. En definitiva, cualquier masa acelerada produce ondas gravitacionales. El ejemplo paradigmático es el de dos masas que rotan una en torno a la otra: sistemas binarios de estrellas. Durante los años 70 se pudo calcular cómo son esas ondas, y con ello, la cantidad de energía que un sistema binario debería emitir en forma de ondas gravitacionales de manera muy precisa. Esta pérdida de energía del sistema binario se debería traducir en un acercamiento de las dos estrellas, y producir, a su vez, un giro más rápido.

Fue precisamente en 1974 cuando Hulse y Taylor pudieron observar un púlsar en un sistema binario. Un púlsar es una estrella de neutrones que gira muy rápido y actúa como un faro. El de Hulse y Taylor enfoca a la Tierra cada 59 milisegundos aproximadamente, pero analizando la señal de manera más fina observaron que el pulsar giraba en torno a una compañera con un periodo de 8 horas. Más aún, a lo largo de unos años pudieron apreciar que este periodo disminuía y que lo hacía al ritmo que el cálculo de ondas gravitacionales predecía! Hulse y Taylor recibieron el Premio Nobel en 1993 por este hallazgo. La predicción teórica de la disminución en el periodo acumulado sigue cuadrando con las observaciones hoy en día.

Desde los años 70 tenemos pues una evidencia indirecta muy clara de que las ondas gravitacionales existen, y la Relatividad General nos permite calcular la forma de la onda (el «sonido») que produce un sistema binario y la energía que transporta. El siguiente paso era obvio. Se quería detectar las ondas de manera directa. Para ello se debía construir un aparato que pudiese detectar oscilaciones en el espaciotiempo, oscilaciones que se sabía que debían ser muy, muy pequeñas. Un aguerrido grupo de científicos diseñaron y propusieron en los 70 la construcción de dos interferómetros gigantescos, uno a cada lado de los EEUU, y consiguieron que el gobierno americano se implicase (dinero) en su construcción. La construcción y sus mejoras se plantearon a largo plazo, y así fue como 40 años más tarde empezó a funcionar el LIGO (siglas en inglés de Observatorio de Ondas-gravitacionales por Interferómetro Laser) con una sensibilidad suficiente según indicaban las predicciones.

La base del funcionamiento de un interferómetro es la medición de la variación de la diferencia del tiempo que tarda la luz (laser) en recorrer dos caminos a lo largo de dos brazos. Si en un momento determinado la luz tarda lo mismo en recorrer esos dos brazos y más tarde eso cambia, entonces los caminos habrán variado (entre sí). Pero los aparatos están fijos, es el propio espacio lo que cambia. Esa es la variación del espaciotiempo que podemos medir, la oscilación de la longitud relativa entre los dos brazos. Esa oscilación produce una señal, como si de un sismógrafo se tratara.

Por otro lado, se necesitaba saber qué señal se esperaba observar por dos razones. Una, para poder filtrar la señal de la onda de entre el ruido provocado por cualquier vibración en la corteza terrestre. El filtrado es el proceso que hace nuestro cerebro habitualmente cuando somos capaces de identificar una canción entre un ruido a más volumen si la canción se conoce. La segunda razón es poder identificar lo que se observa.

Los cálculos realizados durante las décadas de los 70 y 80, que servían para estimar las ondas emitidas por sistemas binarios mientras rotan tranquilamente, no eran suficientes para deducir la forma precisa de las ondas que emanarían de la colisión última de las dos componentes del sistema binario. Los eventos que LIGO está preparado a «oir» deben ser suficientemente violentos. Hasta bien entrado el siglo XXI no se supo y pudo usar cálculo numérico en Relatividad General (en superordenadores) para predecir exactamente cómo son las ondas generadas por fusión de agujeros negros, fusión de estrellas de neutrones y supernovas. Por el año 2015 ya se disponía de una «discografía» de cientos de miles de señales predichas para diferentes parámetros de esas colisiones. Fue por aquel entonces, cuando en septiembre de 2015 el LIGO en versión avanzada se había vuelto a poner en marcha, cuando se produjo la primera detección de ondas gravitacionales. El análisis de la señal coincidía perfectamente con la señal predicha para la colisión de dos agujeros negros, de 36 y 29 masas solares respectivamente, a una distancia de 410 Megaparsecs. Muy lejos.

Figura 1. Primera detección de Ondas Gravitacionales en LIGO. Fuente: B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration) / Wikimedia Commons

La señal de un choque de agujeros negros no se puede ver, solo se puede detectar por ondas gravitacionales. Esta detección es un hito de la humanidad. No sólo fue la primera detección de ondas gravitacionales, sino que fue la primera detección directa de un agujero negro (de hecho, dos!). Por esta detección recibieron el Premio Nobel en 2017, sólo dos años más tarde, los principales responsables del proyecto científico.

Por contra, una colisión de estrellas de neutrones, por ejemplo, debería dejar un rastro «visible» en forma de ondas electromagnéticas. Una analogía en este caso sería como «oír» una explosión, mirar en la dirección del sonido, y ver entonces unos fuegos artificiales. De hecho, sirviéndonos de la misma analogía, se podría determinar la diferencia de velocidades de las ondas de luz y las ondas gravitacionales, o si las velocidades son iguales, como se predecía. La comunidad estaba a la expectativa de ver si el Universo nos iba a regalar un evento con estrellas de neutrones para poder “ver” y “oír” a la vez.

Hablando de fuegos artificiales, ya desde los años 60 se venían observando explosiones de rayos gamma en el firmamento, sin saber la causa. La primera vez que se detectó una, en plena guerra fría, provocó un grave conflicto diplomático, ya que los EEUU pensaron que se trataba de pruebas nucleares soviéticas en el espacio. Desde entonces se intentaba hallar la causa de estos destellos. De entre las posibles explicaciones la más convincente era la colisión de estrellas de neutrones. Esta convicción no cuajó hasta que se pudieron realizar simulaciones numéricas de fusiones de estrellas de neutrones, usando la Relatividad General y la teoría de partículas elementales de que disponemos. Estas simulaciones, además de aportar una causa sólida a esas explosiones de rayos gamma, también predecían otro aspecto, que tiene que ver con la producción de elementos pesados, como por ejemplo el oro o el uranio. Ya en 2007 se había puesto en entredicho que la producción de los elementos más pesados de la tabla periódica proviniesen de explosiones supernova. Los cálculos de la época determinaban que la energía de esas explosiones no era suficiente, que hacía falta algo más violento. Fue durante 2016 y 2017 cuando esas simulaciones de fusiones de estrellas de neutrones aportaron una evidencia más sólida sobre la producción de esos elementos más pesados.

Todas estas predicciones se confirmaron en agosto de 2017. Para entonces ya se contaba con un tercer interferómetro, VIRGO, que está situado en Europa (norte de Italia). Al poder disponer de tres interferómetros podemos determinar con más precisión la dirección de la que proviene la onda. LIGO y VIRGO detectaron una señal de onda gravitacional que correspondía a la predicha para una fusión de dos estrellas de neutrones de 1,6 y 1,1 masas solares respectivamente, y a una distancia de unos 40 Megaparsecs. El satélite Fermi había detectado una explosión de rayos gamma justo a esa hora, de manera independiente. Esa información junto con la dirección que indicaban LIGO y VIRGO determinaban que la explosión se había producido en una región muy concreta del firmamento. Veinte minutos más tarde la mitad de los telescopios de la Tierra, y el Hubble en el espacio, apuntaban en esa dirección. Allí vieron los «fuegos artificiales» predichos por las simulaciones de fusiones de estrellas de neutrones: los rayos gamma, con una intensidad mayor que toda la luz de la galaxia (NGC4993) que albergaba las dos estrellas, seguidos horas y días después por rayos X, luz visible y ondas de radio. Esos días se pudo determinar la composición del material que la explosión había generado. La producción de elementos pesados era la predicha, que se corresponde, por cierto, a las abundancias de esos elementos en nuestro propio sistema solar. La portada del Financial Times en uno de aquellos días celebraba la producción de una cantidad de oro equivalente al peso de la Tierra.

Figura 2. Detección de una fusión de estrellas de neutrones: ondas gravitacionales. Fuente: LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration. Creative Commons Attribution-Share Alike 4.0 International license.

Esta observación ha servido, además, para comprobar que la velocidad de la luz y la de las ondas gravitacionales son la misma. La medición aporta una fiabilidad con un error de una parte en 10.000.000.000.000.000. Además de corroborar las predicciones de la Relatividad General, este dato nos ha permitido descartar toda una carpeta de teorías alternativas a la Relatividad General, que se habían planteado para resolver otro tipo de incógnitas cosmológicas.

Figura 3. Detección de una fusión de estrellas de neutrones: explosión de rayos gamma. Fuente: Hubble Space Telescope, NASA and ESA/ Wikimedia Commons.

Estamos ante el nacimiento, por lo tanto, de la Astronomía de Ondas Gravitacionales y Multimensajero, combinando la información que aportan los dos tipos de ondas. En el futuro quizás podamos también añadir la esperada observación de neutrinos. Las posibilidades que la Astronomía Multimensajero puede llegar a ofrecer no se conocen aún, pero tienen visos de ser revolucionarias. La combinación de los datos aportados por la señal de la onda gravitacional junto a la electromagnética en esta detección de fusión de estrellas de neutrones ha provocado un avance en la comprensión de los procesos astrofísicos de muy alta energía comparable a décadas de investigación. Tenemos que tener en cuenta que hasta ahora habíamos observado el Universo usando algo que conocemos como seres biológicos: la luz. Primero a través de la vista, y desde principios del siglo XX, a través de detectores de luz en otras frecuencias, como son los rayos X, gamma… Pero lo que se ha conseguido ahora es un nuevo sentido, una nueva manera de observar el Universo. Algo que no sabíamos ni que existía hace apenas un siglo.

En nuestro departamento de la UPV/EHU trabajamos en la modelización de estrellas de neutrones y sistemas binarios, y en la emisión de ondas gravitacionales en el universo primordial. En un futuro no muy lejano se pondrá en órbita un interferómetro parecido a LIGO (llamado LISA) con la capacidad de observar ese tipo de ondas, lo que nos llevará a descubrir nueva física.

Sobre los autores: José Juan Blanco-Pillado, Jon Urrestilla y Raül Vera son investigadores en el Departamento de Física Teórica de la Facultad de Ciencia y Tecnología de la UPV/EHU

1 comentario

  • Avatar de oscar

    gracias por el artículo.
    no tengo ni idea de física, pero me gusta….
    alguien puede explicar como saben que los interferometros están siempre a la misma distancia?… entiendo que las desviaciones en las mediciones serán extremadamente pequeñas… como se descarta que sean consecuencia de movimientos tectónicos, dilataciones de material , cambios atmosféricos..? un saludo!

Deja un comentario

Tu dirección de correo electrónico no será publicada. Los campos obligatorios están marcados con *