Las máquinas que corrigieron a Einstein

En 1916, un físico que le había estado robando horas a su trabajo en una oficina de patentes para hacer experimentos imaginarios y elaborar una teoría sobre el comportamiento del universo tuvo por primera la vez la idea de la existencia de las ondas gravitacionales. En el cosmos, razonó, hay fenómenos tan violentos que deforman el espacio y el tiempo. Las ondas gravitacionales viajarían a la velocidad de la luz en todas direcciones curvando todo a su paso como ocurre en el agua de un estanque al que han tirado una piedra. Las estrellas, los planetas y todo lo que contienen se moverían como boyas al paso de estas olas. Aquel hombre se llamaba Albert Einstein, padre de la teoría de la relatividad general. Su conclusión sobre este asunto fue que las ondas gravitacionales se producen a distancias tan lejanas que cuando llegan a nuestro planeta son demasiado débiles como para ser captadas por ningún instrumento de fabricación humana. Nadie, pensó, conseguiría demostrar su existencia. En eso fue en lo único que se equivocó.

Pasado un siglo y tres años, exactamente dos minutos después de las cinco de la mañana del 21 de mayo de 2019, una señal apareció en las pantallas del interferómetro láser LIGO de EE UU. Casi al mismo tiempo, a más de 8.000 kilómetros de allí, la señal apareció en las pantallas de Virgo, un detector similar situado en un pueblo no muy lejos de la torre inclinada de Pisa. Más de 2.000 científicos de 19 países se lanzaron a entender el significado de aquella señal. Sobre el papel era apenas una curva ascendente que terminaba de forma abrupta. Los científicos tradujeron la frecuencia de esa señal a sonido y escucharon un brevísimo golpe, o un zumbido. La señal apenas duraba una décima de segundo, lo que complicaba mucho entender de dónde venía y cómo se había generado. El pasado miércoles, los miembros de esta colaboración científica anunciaron que esta era la onda gravitacional más potente de la historia.

Esta fusión de agujeros negros liberó la energía de 10.000 millones de billones de billones de bombas atómicas como la de Hiroshima

José Antonio Font, Virgo

Einstein tenía razón y no la tenía. Las ondas gravitacionales existen, pero no es imposible detectarlas. Desde el descubrimiento de la primera onda, anunciado en 2016, los interferómetros láser de LIGO y Virgo han abierto una nueva era en la astronomía. Ya no solo es posible observar el cosmos usando la luz en todas las longitudes de onda, sino que también se puede escuchar y entender los ecos que producen algunos de los objetos más asombrosos y desconocidos que alberga. “Es el descubrimiento más importante en lo que va de siglo”, según el Nobel de Física George Smoot.

La señal anunciada esta semana se produjo hace 7.000 millones de años, unos 2.500 millones antes de que se formasen el Sol, la Tierra y el resto del sistema solar. Dos agujeros negros con unas masas 85 y 66 veces mayor que el Sol, respectivamente, se acercaron demasiado. Los agujeros negros son los objetos más densos que existen y generan tal fuerza de atracción que todo lo que cruce sus fauces —el horizonte de sucesos— cae irremisiblemente dentro y desaparece, incluida la luz. Por eso son negros: no se los puede ver con un telescopio convencional. Estos dos agujeros empezaron a orbitar uno en torno al otro hasta que se devoraron empujados por sus descomunales fuerzas de gravedad.

El choque de estos dos colosos invisibles escupió tanta energía como 10.000 millones de billones de billones de bombas atómicas como la de Hiroshima, según los cálculos de José Antonio Font, catedrático de astrofísica de la Universidad de Valencia colaborador de Virgo. Dicho de otra forma, se liberó la masa de ocho estrellas como el Sol siguiendo al pie de la letra la ecuación acuñada por Einstein: la energía es igual a la masa por la velocidad de la luz al cuadrado (E=mc²). Esa explosión produjo ondas gravitacionales que comenzaron a viajar por el universo en todas direcciones deformando a su paso espacio-tiempo como si fuera gelatina.

Desde que Einstein predijo la existencia de estas ondas, captarlas se convirtió en una obsesión para muchos físicos experimentales, que se devanaron los sesos intentando diseñar un método de medición capaz de registrarlas. Las ondas gravitacionales son tan violentas en su origen que causan tormentas en las que literalmente es posible viajar en el tiempo. Pero se van debilitando y para cuando llegan a la Tierra después de miles de millones de años cruzando el espacio son tan minúsculas que fue imposible captarlas con los primeros detectores que se comenzaron a construir en la década de los 60.

“Estos detectores son tan sensibles que podemos saber si es un día de diario o fin de semana por el ruido de los coches, escuchamos la marejada y podemos distinguir si es en el Mediterráneo o en el Atlántico

Julia Casanueva, Virgo

Sentada a los mandos del centro de control de Virgo, la física española Julia Casanueva explica cómo se consiguió solucionar el problema. La clave estaba en medir cantidades ínfimas de espacio y de tiempo. Los detectores como LIGO y Virgo tienen dos brazos por los que la luz láser discurre constantemente de un extremo al otro 24 horas al día, siete días a la semana, todo el año. Los científicos saben exactamente cuánto tarda un fotón —la partícula de la luz— en hacer este recorrido. Cuando una onda gravitacional llega a la Tierra y deforma el tiempo y el espacio, el tiempo de vuelo del fotón cambia en una centésima de nanosegundo. Expresado en espacio, tras la llegada de la onda anunciada esta semana, la distancia que recorren estas partículas en los brazos de Virgo cambió una millonésima de millonésima de millonésima parte de un metro. Es una distancia unas mil veces menor que el diámetro del núcleo de un átomo; la medida de distancia más pequeña que se ha realizado en toda la historia, según los responsables de LIGO.

“Cuando llegó la señal, no supimos que era algo excepcional hasta mucho tiempo después”, confiesa Casanueva. Los controladores como ella solo se encargan de detectar la pequeña modificación en el tiempo de vuelo de los fotones y corregirla. La señal queda grabada y después es analizada y filtrada del ruido de fondo, que es atronador. “Estos detectores son tan sensibles que podemos saber si es un día de diario o fin de semana por el ruido de los coches; escuchamos los aviones, los aires acondicionados, los temblores terrestres, escuchamos la marejada y podemos distinguir si es en el Mediterráneo o en el Atlántico”, dice Casanueva.

LIGO tiene dos detectores idénticos, uno en el estado de Washington, en el extremo oeste del país, y otro en Luisiana, al sureste. Ambos deben captar la misma señal si pasa una onda gravitacional. Virgo aporta una tercera medición que permite triangular y saber de qué parte del cielo, de qué parte del universo, ha llegado la onda. La onda de esta semana, producida por la mayor fusión de agujeros negros captada hasta la fecha, llegó desde una región del cielo de 700 grados cuadrados donde hay tres constelaciones: Coma Berenices —La Cabellera de Berenice—, Canes Venatici —Los Perros Cazadores— y El Fénix, todas ellas en el hemisferio norte, explica Toni Font.

Juntos, estos detectores han captado ya 12 fusiones de agujeros negros, pero la de esta semana es única. Con las leyes de la física estelar en la mano, el origen de los dos agujeros negros con esas masas no se puede explicar por el método convencional. Es posible que la teoría esté incompleta y haya que ampliarla para abarcar este nuevo tipo de monstruos, cuyas masas los sitúan fuera de lo que los físicos conocen como el cementerio de las estrellas. Cuando las estrellas mueren, implosionan y sus restos se comprimen hasta formar un agujero negro. Pero esto es así solo para astros de hasta unas 65 masas solares. En teoría, por encima de esa masas y hasta las 120 masas solares los astros que llegan al final de su vida explotan sin dejar ningún rastro sólido. Los dos agujeros negros involucrados en esta fusión se salen de esta norma, y también lo hace su producto final: un agujero negro de 142 masas solares, algo que no se había observado jamás.

“Todavía estamos lejos de entender todos los procesos que acaban produciendo agujeros negros”, reconoce el físico del laboratorio europeo de física de partículas CERN Luis Álvarez-Gaumé. “Desde la primera observación, los resultados sobre sus masas y abundancias son bastante sorprendentes. Hay mucho por aprender”, señala.

El escepticismo de Einstein sobre la detección de ondas gravitacionales no empaña en nada su valía y su clarividencia a la hora de entender la esencia del universo, resalta Alicia Sintes, investigadora principal del grupo de LIGO en la Universitat de les Illes Balears. “Cuando formuló su predicción no había ninguna certeza sobre los objetos astronómicos que ahora conocemos, no se sabía casi nada del ciclo vital de una estrella ni qué combustible la alimenta”, señala. Tampoco se había descubierto el láser ni su potencial para hacer mediciones de altísima precisión. Y aún así, la teoría general de la relatividad predijo a la perfección la existencia de agujeros negros y otros objetos cósmicos que se descubrirían después. “No hay nada de lo que vemos que le contradiga”, resume Sintes.

Esta onda de gravedad de una décima de segundo nos ha traído otro dato que hace volar la cabeza. La fusión sucedió en algún lugar del universo hace 7.000 millones de años, que es lo que tardó en llegar hasta nosotros. Pero el universo no es una esfera estática, sino que desde su nacimiento está creciendo constantemente, ampliándose a una velocidad creciente. Este es uno de los mayores enigmas del cosmos y para explicarlo los físicos recurren a la energía oscura: una fuerza que empujaría al cosmos en su inflación y que es oscura —o negra— porque no la podemos ver ni tenemos ni idea de qué esta hecha. Lo que sí sabemos es que debido a la acelerada ampliación del cosmos, el punto donde sucedió esta fusión de agujeros negros está ya a 17.000 millones de años luz, es decir, tendríamos que viajar a la velocidad de la luz durante 17.000 millones de años —más que la edad del universo— para alcanzarlo.

“Einstein estaría entusiasmado por el descubrimiento de las ondas gravitacionales e impresionado por la pericia humana para diseñar instrumentos capaces de lograrlo”, resalta el veterano físico Barry Barsh, uno de los padres de LIGO que ganó el Nobel de Física en 2017. ¿Cuál es el mayor hallazgo que podría aportar esta nueva rama de la astronomía? “Aún nos quedan muchos años por delante, pero es posible que las ondas sean nuestra mejor herramienta para entender el universo recién nacido, desde el Big Bang hasta la creación de la materia. ¿Acaso hay alguien que no quiera saber cómo empezó todo”.

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