Por: Klaus Ziegler

Ondas de gravitación: escuchando el pasado

El 14 de Septiembre de 2015, a las 5:30, hora diurna del este, científicos del observatorio gravitacional de interferometría laser (LIGO, por sus siglas en inglés) detectaron lo que parecía ser la huella inconfundible de una onda gravitacional.

Siete milésimas de segundo más tarde sus homólogos en Washington registraban un patrón de interferencia similar. Por esos caprichos del azar, el acontecimiento coincidió con el centenario de la publicación de la Teoría General de la Relatividad, y corroboraba de manera definitiva la última de las grandes predicciones del genio de Einstein.

Un análisis posterior de los datos mostró que ese registro casi imperceptible era en realidad el eco de un cataclismo cósmico de dimensiones inimaginables: la fusión de dos agujeros negros, veintinueve y treinta y seis veces, respectivamente, más pesados que nuestro sol. Después de danzar uno alrededor del otro durante siglos, los dos cuerpos celestes se habrían precipitado en una colisión brutal, a velocidades inconcebibles, cercanas a la mitad de la velocidad de la luz. El evento, se presume, sucedió cuando la vida en la Tierra apenas comenzaba, y solo organismos procariotas habitaban el Planeta.

La energía liberada en ese choque apocalíptico resulta alucinante: cincuenta veces superior al fulgor de todas las estrellas visibles en su conjunto. Sin embargo, el formidable destello cósmico se habría menguado hasta convertirse en un pulso apenas perceptible, tras un viaje de 1300 millones de kilómetros, desde los confines del universo hasta alcanzar este rincón insignificante de la Vía Láctea.

El reto tecnológico que supone crear un aparato capaz detectar una señal tan débil es extraordinario. El experimento implica poder medir distancias de kilómetros con márgenes de error menores a la milésima parte del diámetro de un protón. Curiosamente, el experimento se llevó a cabo utilizando una versión moderna de un viejo instrumento de museo, el interferómetro de brazos rectangulares, construido por los físicos Albert Michelson y Edward Morley a finales del siglo XIX. Con esa máquina, los dos científicos norteamericanos habían refutado la existencia del éter lumínico, esa sustancia mítica que, se según se creía, permeaba el universo, y proporciona el medio incorpóreo en el cual se movían los campos eléctricos y magnéticos.

A diferencia del interferómetro de Michelson y Morley, de once metros de diámetro, el utilizado por el equipo científico de LIGO posee dos brazos de cuatro kilómetros de longitud, dispuestos en forma de escuadra. En el extremo de cada brazo hay un espejo, del cual pende una pequeña masa. Un pulso de luz monocromática se envía desde el laboratorio hasta un tercer espejo semitransparente situado justo en el lugar donde la escuadra forma un ángulo recto. En ese punto, la luz se divide en haces perpendiculares que viajan a través de los brazos del interferómetro. Cada rayo, después de reflejarse, viaja de regreso hacia el punto de división. Allí la luz se recombina y luego se encauza hacia un detector. La Teoría de Einstein predice que el paso de una onda de gravitación acortaría uno de los brazos y alargaría el otro, un fenómeno que se repetiría de manera alternada a medida que la onda cruzara el laboratorio. Pero al recorrer distancias diferentes, los dos rayos entrarían en desfase, lo cual daría origen a un inconfundible patrón de interferencia, evidente en el ocular, donde un observador podría notar la formación de delgadísimos filamentos de color oscuro.

Durante décadas se intentaron experimentos similares sin ningún éxito. Y la razón es aparente: la contracción de los brazos es proporcional a la amplitud de la onda gravitatoria, la cual, según se estima, sería apenas una diez mil millonésima del diámetro de un átomo de hidrógeno, una longitud en metros igual a 10^(-20). Es por ello que el experimento de LIGO podría ser la medición más precisa jamás realizada por los humanos.

Pero, ¿qué es una onda gravitatoria? Para responder la pregunta es necesario comprender el modelo matemático de la física einsteniana. En la teoría de Einstein, a diferencia de la de Newton, la gravedad deja de ser una fuerza para convertirse en una determinada geometría del espacio-tiempo. Aunque un espacio curvo de cuatro dimensiones no sea una noción que podamos imaginar fácilmente, no obstante, es posible formarnos una idea intuitiva si pensamos en un universo confinado a la superficie de una sábana elástica muy delgada. La distribución de masas en ese cosmos de dos dimensiones determinaría un relieve específico. Cada cuerpo crearía “pozos gravitacionales” análogos a las deformaciones reales del espacio-tiempo presentes en nuestro Universo, donde el flujo de materia-energía determina la métrica espacio-temporal de acuerdo con las famosas Ecuaciones de Campo.

En el modelo relativista, la trayectoria de una partícula, incluyendo los fotones, puede explicarse, no como resultado de la acción de una fuerza, sino como el desplazamiento natural más simple posible dentro de cada geometría particular. A esas trayectorias mínimas los matemáticos las llaman “geodésicas”. Debe advertirse que este símil es solo aproximado, pues en él se ignora la componente temporal, que en la teoría de Einstein se fusiona con las tres componentes espaciales para formar un único ente abstracto, el “espacio-tiempo”. Sin embargo, la analogía resulta útil a la hora de imaginarnos la naturaleza de una onda gravitacional.

Así como un súbito movimiento telúrico genera una onda sísmica, la rápida aceleración de dos objetos masivos da origen a una serie de rizos ondulatorios que se propagan a la velocidad de la luz, contrayendo o dilatando de manera cíclica el espacio físico circundante. En rigor, una onda de gravitación sería solo una construcción matemática, “una perturbación periódica de la métrica”, pero una con efectos físicos tangibles, evidenciables en la variación de las dimensiones espaciales.

Pero si una onda gravitacional alargara todos los objetos por igual en una determinada dirección, incluido los instrumentos de medición, y hasta a los mismos experimentadores, entonces ¿cómo podría notarse un cambio en la longitud de los brazos del interferómetro? La paradoja se resuelve cuando tenemos en cuenta el principio de constancia de la velocidad de la luz: cualquier distorsión longitudinal se manifestaría en el hecho de que un determinado fotón recorrería un mismo trayecto en tiempos diferentes, como en efecto se observa en el laboratorio.

Desde la antigüedad hasta hoy, las señales electromagnéticas (ondas de luz, rayos X, radiación infrarroja u ondas de radio) han sido en esencia la única fuente de información sobre nuestro universo. El experimento de LIGO, sin embargo, abre una serie de posibilidades antes insospechadas. La “astronomía gravitacional” proporciona una nueva herramienta para sondear el universo.

Se cree, por ejemplo, que en el corazón de las grandes galaxias habitan agujeros negros miles de millones de veces más pesados que el Sol. También hay evidencia de que toda galaxia se fusiona al menos una vez en su vida con otra galaxia de su vecindad. La coalescencia de sus dos agujeros centrales liberaría en forma de radiación gravitatoria una energía igual a 10^57 ergios/segundo, el equivalente a diez billones de veces la generada por todas las estrellas de una galaxia gigante. Semejante evento, jamás observado, no obstante podría detectarse mediante observatorios laser de ondas gravitacionales situados en el espacio.

La radiación de fondo, para dar otro ejemplo, marcaba hasta hoy el límite del universo visible. Los primeros 380 000 años trascurridos desde la Gran Explosión se esconden detrás de ese telón infranqueable. De ese pasado remoto no queda ningún vestigio visible, pero quizás subsistan algunos testimonios “audibles”: ondas gravitacionales provenientes del momento mismo de la creación. No me sorprendería que la mayor noticia científica en un futuro cercano fuese la revelación de esa partitura magnífica, sin duda la obra cumbre en el repertorio de la Música de las Esferas.
 

Buscar columnista