En búsqueda de la coherencia en el cosmos

Imaginen dos pianistas separados unos 680 metros que tocan una misma tecla durante un instante, exactamente a la vez, y lo van repitiendo cada segundo. Una tercera persona, una oyente, que esté cerca de uno de los pianos, oirá un primer acorde poco después de que un músico pulse la tecla. Más tarde oirá el sonido del otro piano, porque el sonido del piano más lejano tarda un poco más en llegar a sus oídos.

Imaginen que la oyente se va moviendo hasta que reciba exactamente a la vez el sonido de los 2 pianos, algo que notará porque oirá una sola nota simultánea, con más intensidad. Si la oyente fuera capaz de medir con precisión ese cambio de intensidad y simultaneidad, se podría ubicar en algún punto donde ambas se harían máximas. En ese momento podría afirmar que está a la misma distancia de los 2 pianos. Por ejemplo, podría estar a 340 metros de cada uno, con el sonido de cada piano tardando un segundo en llegar a ella (contando con una velocidad del sonido en el aire de 340 metros por segundo).

Entendido esto, a partir de aquí es fácil identificar diferentes posibilidades. Una oyente a más distancia, pero la misma, de cada músico seguiría oyendo los dos sonidos simultáneamente, aunque habrían tardado más en llegar a ella y se oirían más bajo. Otra oyente podría estar al doble de distancia de un piano que de otro (o triple, cuádruple, etc…) y oiría un sonido con mayor intensidad pero que no se originaron en el mismo instante, sino uno antes y otro después.

En física, se dice que la unión de esos dos sonidos repetitivos, que son una onda en interferencia, tiene máxima coherencia cuando coinciden exactamente las ondas y se unen de un modo que denominamos constructivo. El oyente recibe los dos sonidos a la vez, y decimos que las ondas recibidas están en fase.

Un solo oyente no puede distinguir, salvo que sepa la potencia original de cada piano y pueda medir la que recibe, si está a igual distancia de cada músico o una distancia que es un múltiplo entero de la otra. Pero si tuviéramos varios oyentes repartidos por todos lados y entre ellos pudieran hablar y conocer exactamente cuándo cada uno recibe los dos sonidos y la coherencia que tienen, entonces podríamos determinar exactamente la posición de los pianos. Cuanto más oyentes, más preciso sería el posicionamiento. Cuanto más separados estén los oyentes, mejor, porque si están muy cerca más o menos oyen lo mismo al mismo tiempo y no hay mucha información extra.

Imaginen ya no dos pianos sino orquestas enteras en dos puntos diferentes, tocando múltiples notas cada una, incluso diferentes. Estudiando la coherencia del sonido en muchos puntos se puede determinar la posición de todos los instrumentos. Para ello los oyentes deben estar perfectamente sincronizados, deben tener una referencia de tiempo común muy precisa y deben poder comparar sonidos y tiempos de la manera más perfecta posible.

Esta sección va de astrofísica, así que demos el salto cósmico. Los músicos podrían ser diferentes componentes de una galaxia lejana, por ejemplo un agujero negro supermasivo que provoca la expulsión de chorros de materia a velocidades cercanas a la de la luz. Esos chorros de materia suelen contener gran cantidad de electrones, que se frenan y emiten ondas. No serían ondas formadas por la vibración de las moléculas del aire ni por el pulso que provoca el tocar la tecla del piano con una frecuencia de una vez cada segundo, sino que los electrones provocan una variación periódica del campo electromagnético, con frecuencias típicamente del orden de decenas o centenares de miles de millones de veces por segundo. Serían lo que se llama ondas electromagnéticas, luz en lenguaje más común.

Los oyentes serían astrónomos con múltiples telescopios observando el astro de manera simultánea. Imaginen que un telescopio en Granada y otro en Hawái observan esa galaxia lejana. Los telescopios deberían estar conectados y tener una sincronización extremadamente precisa. Si consideramos la luz como partículas, y nos llega luz a los 2 telescopios al mismo tiempo (o casi, un observatorio estará más cerca de la galaxia que el otro), podemos considerar que a Granada llegó un fotón y Hawái otro independiente. Pero podemos considerar la luz como una única onda, entonces tendríamos que interpretar que lo que llega a Hawái y Granada es el mismo fotón (igual que dos oyentes oirían la misma nota), y utilizar la detección por parte de dos telescopios para conocer más sobre cómo y dónde se creó.

Sería cuestión de estudiar la coherencia de las ondas que llegan a cada telescopio, con un aparato que se llama correlador, que compara señales de cada observatorio, cada radiotelescopio sería, para buscar esa coherencia que dé información espacial del astro que estamos observando. Serían telescopios que se dice que hacen interferometría de ondas electromagnéticas. Los correladores deben comparar del orden de miles de ondas electromagnéticas (cada una bastante compleja, nada de un solo pulso como en nuestra analogía de los pianos) cientos o miles de millones de veces por segundo; la potencia de computación necesaria (y los trucos matemáticos y tecnológicos) son considerables.

Los radiotelescopios interferométricos, siendo telescopios relativamente pequeños pero en gran número y separados una determinada distancia (pero sincronizados) nos permiten llegar a obtener información, sobre todo espacial, equivalente a tener un telescopio gigantesco, de hasta miles de kilómetros. Cuantos más telescopios observen a la vez y cuanto más lejos estén entre sí (¡quizás en la Luna en algún momento!), mayor precisión. Como en el ejemplo de los pianos.

La interferometría ha permitido medir el radio de una estrella como Betelgeuse, hace un siglo. La interferometría también ha logrado, más recientemente, el espectacular logro de proporcionar imágenes de los agujeros negros supermasivos, el del núcleo de la galaxia M87 y de nuestra Vía Láctea, más en concreto del material que los rodea y de cómo los campos magnéticos creados en torno al horizonte de sucesos rigen las órbitas de ese material. Y la interferometría de ondas electromagnéticas (creadas por láseres potentes) es la base de los telescopios de ondas gravitatorias y de su detección por primera vez en 2015, lo que ha abierto una nueva ventana para la exploración del cosmos.

Todo esto (y más, la interferometría se usa en biología, medicina,...) se lo debemos a entender mejor la naturaleza de la luz, al avance en ciencia básica en búsqueda del conocimiento sobre los fundamentos (físicos) de la realidad. Hoy no podemos decantarnos por si la luz es un conjunto de partículas indivisibles (¡sin masa!) como las de Demócrito, Newton o Einstein, u ondas como nos dijeron Descartes, Huygens y, finalmente y de manera mucho más detallada, Louis de Broglie, 100 años de eso se cumplirán el año que viene. También se lo debemos a la coherencia, algo tan en desuso en la sociedad, y que incluso la luz puede tener. Aunque tampoco hay que idolatrarla, realmente da mucha información del universo (y las personas).

Vacío Cósmico es una sección en la que se presenta nuestro conocimiento sobre el universo de una forma cualitativa y cuantitativa. Se pretende explicar la importancia de entender el cosmos no solo desde el punto de vista científico, sino también filosófico, social y económico. El nombre “vacío cósmico” hace referencia al hecho de que el universo es y está, en su mayor parte, vacío, con menos de un átomo por metro cúbico, a pesar de que en nuestro entorno, paradójicamente, hay quintillones de átomos por metro cúbico, lo que invita a una reflexión sobre nuestra existencia y la presencia de vida en el universo. La sección la integran Pablo G. Pérez González, investigador del Centro de Astrobiología, y Eva Villaver, profesora de investigación en el Instituto de Astrofísica de Canarias.

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