La Provincia - Diario de Las Palmas

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Un descubrimiento histórico

El jueves, 11 de febrero de 2016, investigadores del experimento LIGO (Observatorio de interferometría láser de ondas gravitacionales), informaron a los medios de comunicación que habían detectado por primera vez ondas gravitacionales de forma directa. Esta observación se produjo el 14 de septiembre de 2015, a las 9:51 GMT en los observatorios de LIGO situados en Estados Unidos, uno localizado en Livingston, Louisiana, y otro en Hanford, Washington.

En 1916, un año después de haber publicado las ecuaciones de campo de la Relatividad General, Albert Einstein predice la existencia de ondas gravitacionales. Estas ondas viajarían a la velocidad de la luz y generaría a su paso variaciones en el tiempo y en el espacio. La teoría de la Relatividad General se basa en que la gravedad producida por las masas distorsiona el espacio-tiempo. ¿Cómo es esta distorsión? Todos los días tenemos que tenerla en cuenta cuando utilizamos los GPS. Estos útiles instrumentos que nos permite saber dónde estamos y cómo podemos llegar a los diferentes lugares, utiliza satélites que están en órbita a unos 20000 km de altitud respecto de la superficie de la Tierra. La gravedad producida por la Tierra dilata el tiempo, hace que el tiempo transcurra más lentamente para una persona que está en la superficie de la Tierra que si estuviera en el satélite situado en órbita. La diferencia es muy pequeña, unos 38,5 microsegundos de retraso por día para los relojes de la superficie de la Tierra respecto a los que están a bordo de los satélites. Pero aunque nos parezca pequeño es muy importante; si no corregimos este retraso tendríamos un error de 11,5 km en un día, unos 480 m en una hora. Dicho de otra forma, no podríamos llegar a los sitios que quisiéramos de forma correcta. Los taxis en Madrid se volverían locos. Esto es uno de los múltiples ejemplos en los que se refrenda que la Relatividad General es válida y tenemos que utilizarla. Pero, ¿las ondas gravitacionales predichas en la teoría existen? Y si existieran, ¿serían detectables?

Las ondas gravitacionales a su paso dilatarían o acelerarían el paso del tiempo y alargarían o acortarían el espacio. Resolviendo las ecuaciones, Einstein llegó a la conclusión que se pueden generar si las masas están aceleradas unas respecto de las otras. Pero también se dio cuenta que la amplitud de las mismas era tan baja que posiblemente nunca podían detectarse. Por otro lado, en el mismo año, Schwarzschild publicó una solución para las ecuaciones de campo que fue descrita posteriormente como un agujero negro. Estos misteriosos objetos que poseen tanta gravedad que distorsionan el espacio-tiempo que los rodea de una forma muy intensa y no dejan escapar la luz. Sólo hay que recordar los efectos de esta alta distorsión del espacio-tiempo descritos en la película Interestelar que pudimos comentar en este mismo periódico.

Con los avances desarrollados en la Astrofísica, estrellas con una determinada masa podrían acabar su vida convertida en una estrella de neutrones o incluso en un agujero negro si su masa de partida es mayor. Taylor y Hulse descubrieron en 1974 un sistema binario compuesto por un pulsar (un tipo especial de estrella de neutrones con una radiación periódica intensa) en órbita alrededor de una estrella de neutrones. Taylor y Weisberg en 1982 encontró que la órbita del pulsar se contraía ligeramente en el tiempo y que esto sólo podía ser debido a la pérdida de energía por emisión de ondas gravitacionales. Esto supuso la primera vez que se constataba de forma indirecta la existencia de estas ondas y Hulse y Taylor recibieron el Premio Nobel de Física por este descubrimiento en 1993. Si un sistema binario de estrellas de neutrones podría producir ondas gravitacionales, un sistema binario de agujeros negros igual podrían producir ondas gravitacionales lo suficientemente intensas para poder detectarlas en la Tierra de forma directa a miles de millones de años luz del lugar de procedencia. El desarrollo tecnológico para poder construir estos detectores en la Tierra ha supuesto uno de los grandes retos tecnológicos de la humanidad en estos últimos 50 años.

El experimento LIGO comenzó en 1984 de la mano de Kip S. Thorne, titular de la cátedra Feynman del Instituto tecnológico de California (Caltech), y de Reiner Weiss, catedrático de física en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT). Ha tenido unos costes de desarrollo y operaciones de 365 millones de dólares. En 2001 el proyecto terminó la construcción de los instrumentos y las labores de calibración, comenzando a operar. Consta de dos observatorios como se ha comentado al principio del artículo. El de Livingston que consiste de un sistema interferométrico de dos brazos perpendiculares y en condiciones de vacío con un recorrido óptico de 4 km, mientras que el de Hanford posee un interferómetro similar con un recorrido óptico de 2 km y la mitad de sensibilidad. La detección de las ondas gravitacionales se haría a través de los minúsculos movimientos que se deben producir en los espejos al contraerse o dilatarse el espacio, lo cual resultaría en un patrón de difracción en la señal del interferómetro. La duplicidad de observatorios permite identificar falsas detecciones producidas por efectos locales tales como pequeñas perturbaciones sísmicas o un fallo instrumental.

LIGO estuvo en funcionamiento entre 2001 y 2010 sin detectar ondas gravitacionales. Se desmontaron los sistemas y se empezó a construir una versión mejorada, Advanced LIGO, con una mejoría en el aislamiento sísmico y los espejos entre otros aspectos. De esta forma se logró aumentar su sensibilidad cuatro veces respecto al diseño inicial. En febrero de 2015 terminaron las obras y volvieron a empezar las observaciones en septiembre de ese año. Y ocurrió el evento...

El 14 de septiembre de ese año se observó la señal en los dos observatorios. Tal como se describe de forma detallada en el artículo publicado el 12 de febrero de 2016 en el Physical Review Letters, se detecta en un intervalo aproximado de 0,15 s en los dos observatorios estiramientos y acortamiento del espacio con una amplitud máxima de 2 10-18 m. Desarrollando un minucioso estudio gracias a los modelos tanto teóricos como numéricos existentes de Relatividad General, esta señal debe corresponder con la llegada de ondas gravitacionales producidas por dos agujeros negros (uno de 36 masas solares y el otro con 29 masas solares) que estaban orbitando y se fusionaron en una fracción de segundo produciendo un agujero negro total de 62 masas solares. Esperar un momento, 36+29 son 65 masas solares. Que ha pasado con las 3 masas solares que faltan. Justamente estas tres masas solares se convirtieron en la energía de las ondas gravitacionales que estamos observando. Sí, la masa de tres soles. Increíble. Parece probable que este sistema estuviera a 1300 millones de años luz de la Tierra por las observaciones realizadas. Esto significa que el 14 de septiembre estábamos observando un evento que ocurrió hace 1300 millones de años, que al producir ondas gravitacionales han viajado por el Universo hasta llegar a la Tierra, y que nosotros gracias a Einstein y la tecnología necesaria teníamos los instrumentos necesarios para observarlas.

Para que puedan calibrar que significa poder medir un cambio de 2 10-18 m, el grosor promedio del cabello humano es de 10-4 m, 0,1 mm. Si pudiéramos hacernos tan pequeños como para ponernos sobre el pelo, y su grosor correspondería para nosotros como la distancia de la Tierra al Sol (150 millones de kilómetros), el cambio que queremos medir es del tamaño de un botón de una camisa. Sí, tenemos la tecnología y la ciencia para que 100 años después de la publicación de la teoría de la Relatividad General hubiéramos podido realizar estas medidas. Si Einstein todavía viviera, posiblemente hubiera dicho lo mismo que cuando recibió la noticia en 1919 sobre las fotos del eclipse de Sol realizadas por sir Arthur Stanley Eddington, que demostraban que la luz de las estrellas se curvaba por la gravedad del Sol en un poco más de un segundo de arco, concretamente 1,75 segundos de arco. Sus palabras serían: "Si las observaciones no hubieran dado el resultado esperado, lo sentiría por este señor, la teoría es correcta".

Estamos ante un gran hito histórico. Maxwell propuso su teoría de campos electromagnéticos en 1865 que predecían las ondas electromagnéticas; y en 1887, 22 años después, fueron generadas y observadas por Heinrich Hertz en el laboratorio. Ellas han sido las grandes protagonistas del siglo XX y XXI. Las utilizamos en todos los ámbitos, desde las ondas de radio, pasando por las microondas, las visibles y llegando a los rayos X, entre otras. Investigadores del LIGO como David Reitze nos dicen: "Es la primera vez que el universo nos habla en ondas gravitacionales, hemos estado sordos. Escucharemos cosas que nunca hubiéramos esperado, que no hemos visto antes". Hoy se nos abre una gran ventana para poder ver el Universo. Desde el punto de vista tecnológico, ¿qué nos permitirán hacer estas ondas??

Para que lo entendamos, este descubrimiento es del mismo calibre o similar que la detección del bosón de Higgs. Somos muy afortunados de haber sido testigos de estos grandes descubrimientos que cambiarán, no sólo la tecnología del futuro, sino la visión que tenemos del Universo y estar más cerca de entender cómo se produjo su génesis.

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