Cuando chocan dos agujeros negros

La National Science Foundation estadounidense grabó dos grandes uves, una en un desértico paisaje del Estado de Washington y otra entre pinos en el Estado de Luisiana, a finales de los años noventa. Fue el inicio del esfuerzo más ambicioso hasta la fecha para detectar ondas gravitacionales. Las dos uves son túneles que alojan el Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) y, si un fenómeno extremadamente violento, como la colisión entre dos agujeros negros, hace temblar la estructura del universo a una distancia de 300 millones de años luz de la Tierra, el sistema debería detectar las fluctuaciones gravitacionales resultantes. El observatorio es lo bastante sensible como para advertir un cambio de menos de una décima de trillonésima de pulgada (1 pulgada es 2,54 centímetros), lo que equivale a una milésima parte del diámetro de un protón, en la longitud de los haces láser que recorren los túneles, de cuatro kilómetros de longitud.

Tras varios años de pruebas, el observatorio empezó a funcionar el pasado noviembre

La tasa de fusiones detectables podría ser de una cada 50 años aproximadamente

Después de varios años de pruebas y operaciones de ajuste -por ejemplo, en el laboratorio de Luisiana hubo que instalar amortiguadores especiales para contrarrestar las vibraciones generadas por la tala de árboles cercanos- el observatorio empezó a funcionar el pasado noviembre. El coste de la construcción de los dos centros asciende a casi 235 millones de euros, y el mantenimiento anual es de 23 millones de euros.

Los datos obtenidos hasta ahora, presentados recientemente en una reunión de la Sociedad Americana de Física, en Dallas, no contienen nada de interés. De hecho, a los científicos no les sorprendería que no se encontrase nada durante el primer año de experimentos. "Yo no perdería el sueño preocupándome por la relatividad general", dice Peter R. Saulson, portavoz del observatorio. Jay Marx, director general del LIGO, estima que las posibilidades de éxito son de un 25 %, "si la naturaleza se porta bien".

La relatividad general, formulada por Einstein para explicar las propiedades del espacio y el tiempo, encaja bien con las mediciones hechas en el Sistema Solar y sus alrededores. Pero las predicciones sobre lo que ocurre donde la gravedad es extremadamente fuerte, por ejemplo en torno a los agujeros negros, apenas se han podido comprobar. Uno de los pronósticos afirma que, en tales condiciones, se generarán unas ondas gravitacionales considerables.

Gracias a unas nuevas investigaciones, los científicos tienen ahora una idea más clara de lo que debería buscar el LIGO. Un equipo dirigido por Joan M. Centrella, directora del Laboratorio de Astrofísica Gravitacional (de la NASA), anunció recientemente haber calculado la forma de las ondas gravitacionales que deberían generarse cuando se fusionan dos agujeros negros, el uno en órbita alrededor del otro. Las ecuaciones de la relatividad general se anotan con facilidad, pero son célebres por la complejidad de su resolución. Los astrofísicos fueron capaces de simular una colisión frontal entre dos agujeros negros hace tres décadas, pero computar la trayectoria de dos agujeros negros en órbita y su violenta unión resultó ser mucho más difícil.

Las simulaciones de Centrella contienen algunas simplificaciones que no reflejan los atributos de los pares de agujeros negros reales: los dos objetos tienen la misma masa, y ninguno de los dos gira. Los cálculos pronosticaban, por ejemplo, que un 4% de la masa de los agujeros negros se convertiría en ondas gravitacionales. "Es una cifra muy importante", explica Saulson. "Nos indica que las ondas gravitacionales tendrán aproximadamente la fuerza que esperábamos, y eso es un estímulo, porque hace que parezca que las probabilidades de hallar algo sean mayores".

La teoría de la relatividad general de Einstein transformó el concepto de la gravedad en un rompecabezas geométrico, en lugar de ser una simple fuerza que hacía que las manzanas cayeran de los árboles. Cabe imaginar una superficie de goma tensada en horizontal sobre la que se lanzan una bola de bolos y una pelota de tenis. La bola es más pesada y se hunde más, y la pelota se desplaza hacia la primera, no porque exista una atracción directa entre ambas, sino porque la pelota de tenis rueda hasta la depresión que se crea alrededor de la bola. En esta analogía bidimensional del espacio-tiempo, uno puede imaginar también una colisión súbita entre objetos que genere unas ondas que se deslicen por la superficie. Ésas son las ondas gravitacionales que espera detectar el LIGO.

El observatorio funciona así: en cada uno de los centros, un rayo láser generado en la base de la V se divide en dos y se dispara a través de unos túneles excavados a lo largo de los brazos; la luz rebota de un extremo a otro de los túneles; cuando una onda gravitacional pasa a gran velocidad, debería aumentar y reducir la distancia recorrida por el rayo, haciendo que la luz del láser parpadee en un detector situado en la base de la V. Como los instrumentos son muy sensibles a pequeñas perturbaciones, para los científicos probablemente sólo serían convincentes las señales recibidas por ambos detectores del LIGO, separados uno de otro por casi 3.200 kilómetros.

Las dudas sobre si el LIGO conseguirá detectar ondas gravitacionales no radica en cuestiones sobre la relatividad general, sino en dudas sobre la frecuencia con la que se producen los acontecimientos que generan ondas gravitacionales en el universo. En teoría, los pares de agujeros negros en órbita son el resultado final de sistemas estelares compuestos por dos estrellas gigantescas. Con el tiempo, los agujeros negros acabarían colisionando. Los astrónomos pueden ver muchos pares de estrellas gigantes rotando en el cielo, pero no están seguros de que terminen desmoronándose para convertirse en pares de agujeros negros.

Debido a que los astrofísicos no comprenden del todo cómo envejecen las estrellas, "existen muchos factores de incertidumbre", señala Vassiliki Kalogera (Universidad Northwestern). "No sabemos si existen los agujeros negros binarios". En la versión más optimista, sus cálculos indican que el LIGO podría detectar hasta 10 fusiones de agujeros negros al año. Pero el factor de incertidumbre de los cálculos es de cien, lo cual significa que, en el caso más pesimista, la tasa de fusiones detectables podría ser de una cada 50 años, aproximadamente.

Un acontecimiento más común es la fusión de estrellas de neutrones, que son los núcleos densos remanentes de la explosión final de ciertas estrellas. La prueba más fiable de que existen las ondas gravitacionales fue la observación indirecta que realizaron dos físicos de Princeton, Joseph H. Taylor y su alumno Russell A. Hulse. Ellos descubrieron un par de estrellas de neutrones pulsantes en órbita una de la otra y comprobaron que la cantidad de energía perdida en la disminución de las órbitas era igual a la cantidad de energía que se esperaba que fuese emitida en forma de ondas gravitacionales. Recibieron por ello el Premio Nobel en 1993.

Pero las ondas gravitacionales emitidas por las estrellas de neutrones en órbita son demasiado débiles como para ser detectadas por el LIGO. E incluso cuando dos de estos cuerpos colisionan, el cataclismo no es ni mucho menos tan violento como una fusión entre agujeros negros, con lo cual, un choque entre estrellas de neutrones debería producirse mucho más cerca para que el LIGO pudiese percibirlo. Según los cálculos de Kalogera, el observatorio detectará, en el mejor de los casos, una fusión de estos astros cada siete u ocho años. Según Marx, para que el LIGO detecte ondas gravitacionales de forma habitual, los instrumentos requerirían una mejora propuesta de 160 millones de euros, que incluye láseres más potentes para multiplicar por diez su sensibilidad.

Los astrónomos esperan que el LIGO y sus sucesores, así como otros detectores similares en Europa y Japón, se conviertan en una nueva clase de telescopio. Si la detección de ondas gravitacionales se volviera algo habitual, los astrónomos podrían deducir muchas propiedades físicas de los agujeros negros y las estrellas de neutrones. El observatorio mejorado quizá pueda detectar también ondas gravitacionales emitidas por la explosión de estrellas e incluso por reverberaciones del Big Bang. Mientras tanto, la ESA y la NASA están pensando enviar al espacio en la próxima década un detector de ondas gravitacionales llamado Laser Interferometer Space Antenna (LISA) compuesto por tres satélites. Por ahora, los científicos están a la espera de su primera onda gravitacional en LIGO.

© The New York Times