La semana pasada, un equipo de científicos anunció que han observado directamente ondas gravitacionales — distorsiones en el tejido del espacio-tiempo — producidas por el choque violento de dos agujeros negros en el espacio profundo. El descubrimiento es una dramática confirmación de la Teoría de la Relatividad General de Einstein y abre una nueva ventana al universo.
El Descubrimiento
El Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferometría Laser (LIGO por sus siglas en inglés) detectó las ondas gravitacionales el 14 de septiembre del 2015. La señal provino de dos agujeros negros inmensos — alrededor de 36 y 29 veces más masivos que el Sol — orbitando uno alrededor del otro. Los agujeros negros, como lo predice la Teoría de la Relatividad General de Einstein, comenzaron a perder energía a través de la emisión de ondas gravitacionales, causando que se acercaran mutuamente lentamente durante un millardo de años y luego mucho más rápido en los últimos minutos. Alcanzaron casi la mitad de la velocidad de la luz y giraron uno en torno al otro unas 250 veces por segundo hasta chocar violentamente y formar un agujero negro más grande. Empleando aritmética simple, el nuevo agujero negro debió haber sido 65 veces más masivo que el Sol, pero no fue así. Solo fue 62 veces más masivo — las 3 masas solares restantes fueron irradiadas en forma de ondas gravitacionales en una fracción de segundo, con un poder aproximadamente 50 veces mayor a la suma de todas las estrellas del universo visible.
Esta catástrofe cósmica ocurrió aproximadamente 1.3 millardos de años atrás, antes de que existiesen organismos multicelulares en la Tierra, y viajó a través del espacio-tiempo a la velocidad de la luz hasta alcanzar los detectores de LIGO, dándole la razón a Einstein y brindándonos una nueva forma de estudiar el cosmos.
“Hasta ahora, nuestra observación del universo ha empleado la luz [visible], las ondas de radio y otras radiaciones electromagnéticas. Las ondas gravitacionales proporcionan una forma totalmente nueva de observar el universo. La habilidad de detectarlas tiene el potencial de revolucionar la astronomía.” —Prof. Stephen Hawking
Einstein Tenía Razón, Otra Vez
La Teoría de la Relatividad General de Einstein afirma que los objetos que poseen masa cambian la estructura del espacio-tiempo alrededor de ellos, así como una bola de bowling sobre un trampolín curva la superficie de este. En 1916 Einstein agregó que cuando objetos masivos cambian de dirección o velocidad, no solo curvan el espacio-tiempo, también producen perturbaciones que viajan a la velocidad de la luz, así como las ondas producidas cuando un barco se mueve en el mar. Einstein no estaba seguro de su ambiciosa predicción y en el año 1936, junto a su asistente Nathan Rosen, intentó publicar un estudio científico en donde refutaba su idea. A pesar de que luego cambió de parecer y volvió a aceptar su teoría, Einstein creía que detectar las minúsculas perturbaciones en el espacio-tiempo producidas por las ondas gravitacionales sería una tarea casi imposible.
Los Detectores
Los dos detectores de LIGO lograron lo imposible. Están localizados en Livingston, Louisiana y Hanford, Washington y juntos son considerados como el instrumento de medición más preciso en la historia. LIGO detecta ondas gravitacionales a través de la búsqueda de cambios extremadamente pequeños en la trayectoria de un rayo laser, mientras al mismo tiempo toma en cuenta una multitud de perturbaciones, incluyendo perturbaciones oceánicas, sísmicas y producidas por actividad humana. En Livingston y Handford un rayo laser es dividido en dos y enviado a través de dos tubos perpendiculares que miden 4km (2.5 millas) de largo. Los dos rayos rebotan en espejos y regresan al punto de partida donde los espera un fotodetector. Si ninguna onda gravitacional perturba los tubos los dos rayos se recombinan y se cancelan mutuamente sin producir ninguna señal en el fotodetector.
El 14 de septiembre, los rayos no se cancelaron mutuamente como siempre lo habían hecho, esta vez produciendo la señal altamente anticipada. La deformación máxima del espacio-tiempo producida por estas ondas gravitaciones cambió la longitud de cada rayo apenas la décima parte de la milésima parte del diámetro de un protón — este nivel de sensibilidad es equivalente a medir la distancia a la estrella más cercana, Alfa Centauri, con una precisión de micrones (el ancho de una bacteria pequeña).
Colaboración Internacional
Este descubrimiento es un gran ejemplo del poder de la colaboración internacional. Es el resultado de más de 50 años de perseverancia y trabajo duro por más de 1000 científicos de más de 15 países. Es un grandioso triunfo especialmente para tres físicos — Kip Thorne, Rainer Weiss y Ronald Drever — quienes apostaron sus carreras científicas al sueño de medir la predicción más insólita de Einstein.
El hallazgo representa la conclusión de décadas de búsqueda de lo imposible, pero también significa el comienzo de una nueva era para la astronomía. Así como el telescopio de Galileo abrió nuestros ojos al abanico de información obtenida a través de la luz visible del cosmos, las ondas gravitacionales han abierto un nuevo universo de posibilidades. Estas aumentarán nuestra comprensión de la naturaleza de los agujeros negros, las estrellas de neutrones, las supernovas, y hasta de las cuerdas cósmicas— cuerdas gigantes que se extienden por el universo y que se cree que fueron creadas por la expansión inflacionaria del cosmos poco después del Big Bang.
“Por milenios hemos explorado el universo usando ondas de luz. Este descubrimiento significa el comienzo de una nueva era; en la cual exploraremos el universo usando ondas de gravedad.” —Dr. Brian Greene
De Cara al Futuro
El futuro de la astronomía de ondas gravitacionales es muy prometedor. Hay iniciativas en marcha para mejorar LIGO significativamente y expandir la red de detectores de ondas gravitacionales. Actualmente, LIGO está operando a alrededor de la tercera parte de su sensibilidad máxima, la cual se espera que incremente en el futuro cercano, aumentando considerablemente el volumen del espacio que puede estudiar. El Detector de Ondas Gravitacionales Kamioka (KAGRA) está actualmente en construcción en Japón y se espera que comience a operar en el 2018 y India-LIGO (INDIGO) podría estar listo para el 2024. Mientras tanto, Italia está mejorando su actual detector, VIRGO, para incrementar su sensibilidad enormemente y transformarlo en Advanced VIRGO.
Todos estos detectores estudiarán ondas gravitacionales con periodos de oscilación de milisegundos. En el transcurso de las siguientes dos décadas tendremos tres ventanas adicionales de ondas gravitacionales— habrá una ventana con ondas gravitacionales que oscilan con periodos de minutos a horas, otra ventana observando ondas que oscilan con periodos de años a décadas y una ventana que observará oscilaciones de millardos de años. La historia nos ha enseñado que cuando ventanas como estas se abren, es muy probable que hagamos descubrimientos que sobrepasan nuestra imaginación.
Para más información:
Conferencia de prensa: https://youtu.be/aEPIwEJmZyE
Articulo científico: https://goo.gl/avui0m
Publicado en inglés en Medium
Imágenes: National Science Foundation, NASA, Physics World