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El 14 de septiembre de 2015, los detectores LIGO en los
Estados Unidos detectaron, por primera vez, como el
espacio vibraba con las ondas gravitacionales. Aunque la
señal era muy débil cuando llegó a la Tierra, su
detección constituyó toda una revolución en astrofísica.
Las ondas gravitacionales son una forma
totalmente nueva de detectar los acontecimientos más
violentos en el espacio y ponen a prueba los límites de
nuestro conocimiento.
Las ondas gravitacionales que se han observado fueron
originadas en un colosal choque entre dos agujeros
negros, hace más de 1000 millones años. Albert Einstein,
una vez más, tenía razón. Ha transcurrido un siglo desde
que las ondas gravitacionales fueran predichas por su
teoría de la relatividad general, pero él siempre había
dudado de que pudieran ser detectadas. |
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Primera onda gravitacional detectada (GW150914) |
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LIGO, el Laser
Interferometer Gravitational-Wave Observatory, es un
proyecto colaborativo con más mil investigadores de más
de veinte países que han trabajado juntos durante más de
cincuenta años.
Los premios Nobel de 2017
han sido, con su entusiasmo y determinación, personas
imprescindibles para el éxito de LIGO. Los pioneros
Rainer Weiss y Kip
S. Thorne, junto
con Barry C. Barish, el científico y líder
que condujo el proyecto a su culminación, han hecho
posible que
después
de cuatro décadas de esfuerzo las ondas gravitacionales hayan
sido observadas.
LIGO no es
ningún telescopio normal para detectar la luz y otras
radiaciones electromagnéticas procedentes del espacio. Es
un instrumento para escuchar las ondas gravitacionales;
aunque las ondas gravitacionales son vibraciones del
espacio-tiempo, no ondas sonoras, su frecuencia es
equivalente a las que podemos escuchar.
Durante
décadas los físicos han tratado de detectar estas ondas
gravitacionales que sacuden el universo, tal como Albert
Einstein predijo hace cien años. Einstein explicó que el
espacio y el tiempo son deformables, y que el
espacio-tiempo cuadridimensional vibra con las ondas
gravitacionales originadas cuando una masa acelera, cuando una estrella
explota en una galaxia lejana o cuando un par de agujeros
negros giran uno alrededor del otro.
Las ondas
gravitacionales nos brindan la posibilidad de observar
algo antes impensado, pero durante mucho tiempo no estuvo
claro que se pudieran resolver los misterios del
espacio-tiempo. Durante años Albert Einstein estuvo
convencido de que nunca sería posible medir las ondas
gravitacionales, y no estaba seguro de si eran reales o
solo una ilusión matemática.
Pero el
espacio-tiempo es rígido y no fácil de deformar, por lo
que solo los más violentos procesos cósmicos pueden causar
ondas gravitacionales suficientemente grandes para ser
medidas. Su amplitud, no obstante, es muy pequeña.
Detectarlas es equivalente a medir la distancia a una
estrella situada a diez años luz con una precisión
equivalente al diámetro de un cabello. Además, incluso si
el universo entero estuviera vibrando constantemente con
las ondas gravitacionales, los acontecimientos más
explosivos ocurren raramente en nuestra galaxia. Había que
buscar más lejos. |
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Por fin ha
sucedido, las ondas gravitacionales han caído en la rampa
de LIGO. Dos agujeros negros que habían colisionado en los
inicios del universo han terminado moviéndose en círculos
uno alrededor del otro. En cada ciclo, la perturbación
producida en el espacio-tiempo, se propaga por el espacio
en forma de ondas gravitacionales
Las ondas
transportan energía que restan a los agujeros, provocando
que se acerquen uno al otro. Su movimiento espiral implica
que los agujeros roten cada vez más rápido enviando más y
más energía al espacio en una especie de danza acelerada
que dura muchos millones de años. Al final, en una
fracción de segundo, los horizontes de los agujeros negros
se encontraron, precipitándose hacia su fatídico final a
casi la velocidad de la luz. Las ondas gravitacionales
cesaron de producirse dejando tras de sí un agujero negro
sin ningún rastro visible de su dramático
nacimiento.
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A mediados de los años
setenta, a pesar del escepticismo generalizado, tanto
Kip Thorne como Rainer Weiss
estaban francamente convencidos de que las ondas
gravitacionales podían ser detectadas y producir una
revolución en nuestro conocimiento del universo.
Rainer Weiss ya había analizado posibles fuentes de
ruido de fondo que perturbaban sus mediciones. También
había diseñado un detector, un interferómetro láser,
que superaría este ruido. |
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Weber, Weiss,
Thorne y Drever
(fallecido en marzo de 2017) desarrollaron un
interferómetro basado en un láser. El principio se
conoce hace mucho tiempo: un interferómetro consta de
dos brazos que forman una L. En los extremos de la L
se colocan unos espejos que reflejan las ondas
incidentes. Una onda gravitatoria afectará los brazos
del interferómetro de manera diferente modificando su
longitud.
Un rayo láser que rebote
entre los espejos puede detectar el cambio en las
longitudes de los brazos. Si no ocurre nada, los rayos
de luz del láser se cancelan mutuamente cuando se
reencuentran en el vértice de la L. Sin embargo, si
cualquiera de los brazos del interferómetro cambia de
longitud, la luz viaja distancias diferentes, por lo
que las ondas luminosas se desfasan produciendo un
patrón de interferencia donde los haces se encuentran.
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La
idea era bastante simple, pero el diablo estaba en
los detalles, así que se tardó más de cuarenta
años en llevarla a cabo. Se requieren instrumentos
a gran escala para medir cambios microscópicos de
longitudes menores que el núcleo de un átomo.
El
plan era construir dos interferómetros, cada uno
con brazos de cuatro kilómetros de longitud, a lo
largo de los cuales el haz láser rebotaría muchas
veces, extendiendo así el camino de la luz y
aumentando la posibilidad de detectar pequeños
contracciones en el espacio-tiempo. LIGO se
encuentra en las estepas del noroeste de Estados
Unidos, en las afueras de Hanford,
Washington, con una instalación gemela a tres mil
kilómetros al sur, en los pantanos de
Livingston, Louisiana.
Se
necesitaron años para desarrollar un instrumento
con la suficiente sensibilidad para distinguir las
ondas gravitacionales del ruido de fondo. Esto
requería un análisis sofisticado y una teoría
avanzada, en la cual Kip Thorne era
el experto. Pero los más altos niveles de
ingeniería creativa y destreza son necesarios para
construir instrumentos ingeniosos, y esta fue la
contribución pionera de Rainer Weiss.
En
1994, cuando Barry Barish asumió el
liderazgo de LIGO, transformó el pequeño grupo de
investigación de unas 40 personas en una
colaboración internacional a gran escala con más
de un millar de participantes. Buscó la
experiencia necesaria y reunió a numerosos grupos
de investigación de muchos países. El sueño
imposible sólo podía hacerse realidad a través de
los esfuerzos colaborativos de la gran ciencia. |
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En
septiembre de 2015, LIGO estaba a punto de empezar de
nuevo después de una actualización que había durado
varios años cuando un mensaje del sistema informático
fue enviado temprano, en la mañana del 14 de
septiembre de 2015. Era una onda gravitatoria
que pasó por Livingston y luego, 7 milisegundos más
tarde, moviéndose a la velocidad de la luz, apareció
en Hanford, a tres mil kilómetros de distancia.
La forma
de la onda era exactamente como se había predicho.
Todo encajaba perfectamente. Los pioneros, ahora de 80
años, y sus colegas de LIGO podían escuchar la música
con la que tanto habían soñado, como un glissandro, o
un pájaro cantando su solitaria canción. Era casi
demasiado bueno para ser cierto, pero hasta febrero
del año siguiente no se les permitió revelar la
noticia a nadie, incluidas sus familias.
El secreto
bien guardado, llamado GW 150914,
cumplió todas las expectativas. A partir de la señal,
los investigadores pudieron averiguar que dos agujeros
negros 29 y 36 veces más pesados que el Sol,
pero con un diámetro máximo de 200 kilómetros. se
fusionaron para formar un agujero negro de alrededor
de 62 masas solares, de modo que durante unas pocas
décimas de segundo pudieron irradiar energía en forma
de ondas gravitatorias equivalente a tres masas
solares. Esto hizo de GW 150914 el objeto radiante más
poderoso en el universo durante ese breve momento. La
señal también indica el área en los cielos
meridionales donde ocurrió el acontecimiento violento:
a 1300 millones de años luz de distancia. Esto
significa que la colisión ocurrió hace 1300 millones
de años, en el momento en que la vida en la Tierra
estaba pasando de los organismos unicelulares a
organismos multicelulares.
LIGO ha
detectado otros dos eventos similares desde el primer
descubrimiento. Su instalación hermana europea, VIRGO,
en las afueras de Pisa en Italia, se unió a LIGO en
agosto de 2017 y anunciaron su primer descubrimiento
el 27 de septiembre. Los tres detectores observaron
las mismas ondas gravitacionales cósmicas el 14 de
agosto de 2017; provenían de dos agujeros negros de
tamaño mediano que chocaron hace 1800 millones de
años.
Hasta el
momento, todo tipo de radiación electromagnética y
partículas, como los rayos cósmicos o los neutrinos,
nos han dado conocimiento sobre el universo. Las
ondas gravitatorias, sin embargo, son un testimonio
directo de las perturbaciones en el espacio-tiempo
mismo. Esto es algo completamente nuevo y
diferente, que nos da acceso a mundos nunca antes
visitados. Una gran cantidad de descubrimientos
aguarda a aquellos que logren captar las ondas
gravitacionales e interpreten su mensaje.
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