Ondas gravitacionales

Ondas gravitacionales, agujeros negros y energías 50 veces mayores que la del universo visible: "Demasiado para una tarde de jueves". Necesario esperar la confirmación independiente.
Ondas gravitacionales.
Ondas gravitacionales.

El anfiteatro de la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN) no es un teatro donde se pueda ver el escenario por los dos lados, como uno esperaría de la etimología griega, pero sí es el lugar que ha reunido al mayor número de exaltaciones que rodean los anuncios de grandes descubrimientos científicos.   

Un jueves por la tarde, en el invierno de 1983, se anunció ahí el descubrimiento del bosón W, responsable de la fuerza débil. El anuncio presagiaba una llamada de Estocolmo y ésta llegó al año siguiente. No era para menos, con ese descubrimiento se descifraba la naturaleza de una de las cuatro fuerzas de la naturaleza.

El jueves de la semana pasada, por la tarde y en la mitad del invierno, se anunció, en la misma sala, uno de los códigos fundamentales de la fuerza de gravedad. No es resultado del trabajo que se realiza en el laboratorio del CERN pero ahí se anuncian, de manera simultánea, los hallazgos del mundo de la física. 

Las viejas butacas de madera plegables, una grada muy inclinada, los palcos que avanzan al frente y la pequeña plataforma escénica, todo se llena de gente que ocupa los escalones, los umbrales de las puertas, los corredores  y resquicios. En los andenes que rodean la galería se instalan los impuntuales. Desde ahí, y en silencio, intentan escuchar lo que se dice adentro mientras recuperan la imagen en su computadora gracias a la transmisión  electrónica del evento.

Yo alcancé un lugar privilegiado a tres palmas del marco de la puerta abatible en el andador central. Así, mientras detenía, para otros, el alerón izquierdo de madera, escuché lo que tenía que decir Barry Barish, uno de los viejos impulsores del experimento LIGO (por sus siglas en inglés: Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory). Desde hacía meses se venía rumorando lo que dijo de manera oficial en conferencia de prensa, y de buenas a primeras, el director ejecutivo del laboratorio LIGO, David Reitze: “hemos detectado ondas gravitacionales”.

Las ondas gravitacionales son ondulaciones del espacio–tiempo, que se propagan como lo hacen las olas en el agua, alejándose de la perturbación que las originó. La teoría general de la relatividad predice la existencia de estas ondulaciones que deforman el espacio–tiempo con contracciones y  dilataciones. Si pudiéramos percibir estas ondas y una de ellas pasara por donde nos encontramos, veríamos cómo la distancia entre nosotros y algún objeto se acorta y se alarga rítmicamente. Esto no sería el efecto del movimiento producido por nuestro esfuerzo corporal, sino el resultado del acortamiento y alargamiento del espacio que media entre nosotros y lo que se encuentre a su paso mientras la onda transita.

No es la primera vez que tenemos noticias de ondas gravitacionales. En 1993 se otorgó el Premio Nobel a Russell Alan Hulse y a Joseph Hooton Taylor por el descubrimiento y estudio de un sistema binario que consiste de dos estrellas de neutrones. Este pulsar,  conocido ahora como sistema Hulse–Taylor, fue observado en 1974 con la antena del observatorio en Arecibo, Puerto Rico. Al observar al sistema rotante, Hulse y Taylor se dieron cuenta de que la distancia entre los cuerpos en rotación se estaba reduciendo debido a la emisión de energía, muy probablemente por la radiación de ondas gravitacionales.

Durante 30 años de observación, de 1975 a 2005, se registró un cambio de 35 segundos en el periodo que define la distancia más corta de la órbita elíptica que el objeto de menor masa sigue alrededor del de mayor masa. Cuando la variación paulatina de esta distancia  se grafica contra los años transcurridos, la forma de la curva reproduce exactamente la esperada por la teoría general de la gravedad.

Esta fue la primera evidencia indirecta de la existencia de ondas gravitacionales. En 2003 se descubrió un pulsar doble —PSR J0737–3039— con un periodo orbital de 2.5 horas. De nuevo se midió, con gran precisión, en este sistema, el decaimiento de la órbita constatando los resultados de Taylor y Hulse.

En 2014 se anunció otra evidencia de la existencia de tales perturbaciones del espacio–tiempo, en esta ocasión provenientes del momento mismo cuando, después del Big Bang, el universo creció súbitamente. La observación, considerada  indirecta porque medía la polarización de la luz que se liberó en el universo temprano, fue luego negada al encontrar que se trataba de ruido generado en polvo intergaláctico y no el efecto real de la inflación cósmica.

Desde hace tiempo se busca la manera de construir aparatos que sean sensibles al efecto de las ondas gravitacionales. Actualmente, el mejor observatorio de ondas gravitacionales es  LIGO. Consiste en dos detectores construidos con la colaboración de mil participantes de dieciséis países.

El experimento LIGO utiliza un instrumento en el estado de Washington y otro en Louisiana. Este último es un interferómetro con dos brazos en condiciones de vacío y una longitud de 4 kilómetros cada uno. El de Washington es similar pero los brazos miden 2 kilómetros. Con la duplicación del arreglo se pretende identificar las falsas señales provenientes de perturbaciones sísmicas que solo dejarán señal en uno de ellos.

Una onda gravitacional modificaría la longitud de los brazos, comprimiendo uno y alargando al otro, de manera microscópica pero suficiente para producir un patrón de interferencia al momento de sumar la luz de los haces que van y vienen en dirección perpendicular. La colaboración LIGO asegura en comunicado de prensa que el arreglo experimental puede revelar contracciones menores al tamaño de un protón.

La señal captada empezó con oscilaciones de 35 ciclos por segundo y fue aumentando hasta los 250 ciclos por segundo. Todo esto duró la cuarta parte de un segundo. Otros interferómetros del mundo como VIRGO, que se encuentra cerca de Pisa, y el GEO600 en Hannover, no estaban operando ese día por lo que no pudo confirmarse la llegada del pulso intergaláctico con mediciones alternativas.

Curiosamente, el experimento no daba inicio aun a la toma de datos cuando los sorprendió el breve sube y baja de la perturbación. La colaboración empezó el 18 de septiembre con el registro de fenómenos en modo de lectura. Tres días antes, ingenieros, técnicos y científicos trabajaban en la preparación del instrumento. Fue entonces que, en medio de las pruebas, registraron el pulso cósmico. 





El experimento LIGO se basa en la superposición de dos haces de luz láser. Los haces son enviados en direcciones perpendiculares a lo largo de brazos de 4 kilómetros de longitud. Cuando los haces se reflejan en espejos colocados en el extremo de los brazos, se recombinan para que la diferencia en la fase revele la presencia de una onda gravitacional.


Después de 25 años de búsqueda y mejoras al detector, la colaboración envió para su publicación en una revista especializada el trabajo titulado “Observación de ondas gravitacionales en la colisión de dos agujeros negros”. En este artículo, nuestros colegas reportaban que el 14 de septiembre del año pasado, a las 5:50 de la mañana, sus dos detectores captaron la señal de una onda gravitacional. Por las características del evento debió tratarse de los rastros que dejó la fusión de dos agujeros negros localizados fuera de nuestra galaxia. Las masas de los agujeros negros debieron ser de 29 y 36 veces la del Sol, de manera que al unirse formaron un agujero de 62 masas solares. En el proceso se liberaron el equivalente, en energía, a tres masas solares. Esta energía fue emitida en ondas gravitacionales que llegaron hasta nuestro planeta la madrugada de ese día.

El accidente astrofísico que acabó con la existencia de dos agujeros negros para dar origen a uno solo debió ocurrir hace más de mil millones de años cuando, en nuestro planeta, la vida transitaba con dificultad de los organismos unicelulares a los multicelulares. La vida primigenia recorrió un largo camino desde entonces para agregarse, integrarse y desarrollar sistemas complejos que llegaran a construir un detector capaz de ver lo que ocurrió en el cielo en aquellos tiempos. 

La colaboración LIGO anuncia no solo la detección directa de ondas gravitacionales sino además la observación indirecta de agujeros negros, de sistemas binarios de agujeros negros y, por si fuera poco, la fusión de éstos en una explosión que perturbó al espacio–tiempo con potencia pico equivalente a 50 veces la contenida en el universo visible. Mucho decir…, demasiado quizá para una tarde de jueves en la mitad del invierno ginebrino.

Los escépticos como yo desean resultados como éste pero también saben de equivocaciones, errores,  exabruptos y pasiones que desbordan.

Albert Einstein no creyó en la existencia de agujeros negros y llegó a escribir un artículo publicado en 1939 que aborda este tema.

Los que continúan con los razonamientos de Einstein en contra de la posibilidad de que existan agujeros negros en el universo dicen que nunca se llegarán a formar porque existe un límite para la energía gravitacional de una masa. Ese límite máximo está dado por la misma ecuación de equivalencia que plantea la teoría de la relatividad entre masa y energía en la famosa ecuación E=mc2.

La energía que se requiere para generar un agujero negro es más grande que la energía equivalente de su masa, y por eso éste nunca llegará a formarse en la naturaleza.

Cuando la energía que compacta la masa a los valores extremos de un agujero negro se acerca a la equivalencia entre energía y masa, la posibilidad de que la gravedad se siga compactando disminuirá por efectos relativistas de la misma gravedad sobre el espacio–tiempo.

Los voceros del experimento LIGO dicen que Einstein tenía razón porque sus ecuaciones predicen ondas gravitacionales y ellos las han observado. Sin embargo, podrían decir también que no tenía razón porque en su trabajo, publicado en Annals of Mathematics, negaba la posible existencia de los agujeros negros. LIGO no solo ve ondas gravitacionales, ve además agujeros negros.

Cuando el jueves pasado Kip Thorne, uno de los padres fundadores de LIGO, dijo: “Los agujeros negros que chocaron para producir estas ondas gravitacionales crearon una tormenta en la fábrica de espacio-tiempo.  Esta observación prueba bellamente y con mucha fuerza ese régimen… y Einstein sale con radiante éxito”, se olvidó de este insidioso capítulo en la vida de Einstein que escribió la ecuación que predice la existencia de ondas gravitacionales pero que no estaba de acuerdo con la existencia de agujeros negros. El trabajo de 1939 puede estar equivocado y la existencia de agujeros negros ser una posibilidad real pero no podemos decir que Einstein estaba correcto en todo y que salió radiante siempre y en todo lugar.

Tendremos que esperar a que nuevos experimentos con mayor sensibilidad entren en operación. Mientras tanto, LIGO deberá reportar la observación de más eventos. Esperemos la confirmación con mediciones independientes de otros observatorios y el escrutinio cuidadoso de los datos. Ojalá que éste no se caiga como se han caído anuncios espectaculares de mediciones fantásticas.

Por lo pronto, Michio Kaku aprovechará para vender más libros. Al día siguiente del anuncio, The Wall Street Journal publicó su nota con el título “Montando ondas de gravedad al Big Bang y más allá: una vez más, la teoría de la relatividad de Einstein se confirma. Próxima parada: La Creación”.

Evidentemente, Michio Kaku ve el anuncio de LIGO como algo sorprendente que lo lleva  al Big Bang y más allá. Para él no existe el origen sino la creación del Universo y con ese pregón se gana la vida.

Pienso que LIGO no podrá decir mucho más de lo que ya ha dicho —que, por cierto, es mucho, para una tarde de jueves a la mitad del invierno de Ginebra.

Ir más allá del Big Bang y llegar a “la creación” es algo que no está en el programa del experimento LIGO. Confirmar lo que ya ha dicho es bastante y bastante trabajo le costará hacerlo.