Las ondas gravitacionales, claves para entender la formación del universo

Las ondas gravitacionales, que Albert Einstein predijo hace un siglo en su Teoría de la Relatividad General, se detectaron por primera vez de manera directa el pasado 14 de septiembre, lo que permitirá un mejor conocimiento del Universo.

En la sala del Club Nacional de Prensa de Washington ayer faltaba un invitado. Nadie dejó una silla vacía para él, pero todo el mundo sabía de quién se trataba. Albert Einstein habría presidido a buen seguro la rueda de prensa en la que se informaba de que, una vez más, tenía razón. Las ondas gravitacionales existen.

Por primera vez la ciencia ha sido capaz de detectar las minúsculas arrugas del espacio-tiempo que llegan como olas en un estanque hasta la Tierra procedentes de sucesos violentísimos en los confines del cosmos. Algo que predijo Einstein hace un siglo y que nunca antes había sido confirmado. Se demuestra así que los sucesos más energéticos del universo generan perturbaciones en el espacio y que estas perturbaciones viajan a millones de años luz de distancia cargadas de información sobre las estrellas, los agujeros negros, los púlsares... y sobre la gravedad que determina sus movimientos.

Lo que ayer ocurrió y mantuvo a medio mundo atento a las palabras de un grupo de científicos fue que por primera vez pudimos poner rostro a uno de los elementos básicos de la formación del universo. Y se ha logrado utilizando la herramienta de observación más revolucionaria desde que Galileo inventara el telescopio. Si aquel aparato permitió observar la luz procedente de los objetos celestes más allá de lo que el ojo humano es capaz de alcanzar, el experimento del que ayer se ofrecieron los primeros resultados ha permitido «escuchar» una sinfonía galáctica antes inaudible, un canto producido por el retumbar de púlsares, agujeros negros y estrellas sobre la piel de tambor del espacio y el tiempo.

El universo está preñado de acontecimientos cataclismáticos. Hay supernovas tan brillantes que dotarían de electricidad a toda la humanidad durante milenios, estrellas del tamaño de Madrid que pesan millones de veces más que la Tierra, agujeros negros en los que cabrían decenas de soles como el nuestro.

Einstein esculpió con lápiz y papel la mejor teoría jamás diseñada para explicar el modo en el que todos estos fenómenos interactúan en el espacio. En realidad, no flotan en la nada sino que ocupan un lugar en una suerte de tapiz invisible, una malla que todo lo une a la que llamamos espacio-tiempo. Los objetos masivos perturban ese espacio-tiempo generando ondas como las de un estanque al que tiramos una piedra.

Esas ondas contienen información vital para entender cómo surgieron los fenómenos más remotos del cosmos, del mismo modo que las ondas de aire que impactan contra nuestro tímpano nos indican si proceden de la vibración de una cuerda de violín de la garganta de nuestra suegra. Pero no habíamos sido capaces de detectar una sola de esas ondas. Creíamos a Einstein, pero porque confiábamos en sus predicciones. Era necesario probar empíricamente que estaba en lo cierto: cazar una onda gravitacional.

Según la Teoría General de la Relatividad, dos agujeros negros que se encuentren a corta distancia uno del otro acabarán atrapándose entre sí, girarán juntos hasta que colisionen y se fundan en un solo agujero negro mayor. Justo en el momento de su acercamiento habrán alcanzado la mitad de la velocidad de la luz y cuando se fundan emitirán un terrible estallido en formas de ondas gravitacionales.

Eso es lo que se acaba de descubrir.

Hace 1.300 millones de años, dos agujeros negros chocaron a la mitad de la velocidad de la luz.El accidente generó ondas que hoy atraviesan la Tierra. Pero su tamaño es ínfimo. Toda la energía liberada entonces sólo es capaz de modificar la posición de nuestro planeta el equivalente al tamaño de un puñado de protones. Es como si el capitán de un transatlántico notara en el vino de su copa la vibración producida por un mosquito que se acaba de posar en el mar.

Para detectar estas ondas ha sido necesario poner en marcha la mayor inversión en ciencia básica de la historia y fabricar con ella el proyecto LIGO, un par de instalaciones de láser que miden permanentemente la distancia entre dos espejos situados a 4,5 kilómetros uno del otro. Si Einstein tenía razón, el paso de una onda gravitacional modificará la distancia entre los espejos, como si estirara el suelo bajo ellos. Aunque lo hace infinitesimamente. LIGO es el instrumento de precisión más potente jamás fabricado, capaz de notar modificaciones de la distancia entre los espejos equivalentes a la diezmilésima parte de un núcleo atómico.

El 14 de septiembre de 2015 a las 10:51 horas de España, LIGO detectó una de esas perturbaciones. La señal se estudió por varios centros de investigación en todo el mundo, entre ellos el Grupo de Relatividad y Gravitación de la Universidad de las Islas Baleares. Y definitivamente se determinó, sin lugar a dudas, que se trataba de la onda producida por la fusión de dos agujeros negros de entre 29 y 36 veces la masa del Sol hace 1.300 millones de años. Einstein tenía razón: los agujeros negros binarios existen, la colisión entre ellos genera perturbaciones en el espacio-tiempo. Las ondas gravitacionales existen.

Como ejemplo, los expertos plantean el escenario en el que un objeto se encuentra junto a dos agujeros negros en colisión, a una distancia de millones de kilómetros o menos. En esta situación, el objeto se estiraría tanto que quedaría destrozado. Sin embargo, esto sólo ocurre en 'distancias cortas'. Cuando las ondas llegan a la Tierra producen cambios muy pequeños en las distancias, diferencias incluso menores que el tamaño de un protón.

Por ello, el observatorio de ondas gravitacionales, conocido como LIGO, no es como los habituales. No es un telescopio al uso, sino que está formado por dos tubos de vacío que se colocan dirigidos a diferentes direcciones (norte-sur, este-oeste) y que en su interior cuenta con un láser que mide en todo momento su estado. Así, cuando una onda gravitacional pasa por la Tierra, el láser detecta que uno de los tubos encoge, mientras que el otro se hace más largo: el efecto de este fenómeno.

En relación al origen de las ondas, los investigadores han indicado que se forman en algunos de los sucesos más violentos que ocurren en el Universo, como colisiones de agujeros negros, explosiones de estrellas supernova o estallidos de rayos gamma.

Información nueva sobre el Universo

Por eso, a través del descubrimiento de las ondas se podrá entender mucho mejor los mecanismos por los que ocurren estos sucesos. Del mismo modo, los expertos han señalado que las ondas ofrecen una información completamente diferente a la obtenida por la radiación electromagnética (luz), que es lo que se usa habitualmente para observar el cosmos, las ondas ofrecen nueva. Concretamente, apuntan que los mecanismos que las producen son diferentes. Por ejemplo, un agujero negro no emite ningún tipo de luz, pero algunos si que emiten ondas gravitacionales. Eso las convierte en una "herramienta única"para explorar algunos de los objetos más enigmáticos del Universo.

El Grupo de Relatividad y Gravitación indica también que se podrá observar, incluso, lo que ocurrió después del Big Bang, cuando el cosmos no tenía ni un segundo de edad. Esta información no se podría conocer de otra forma, porque el Universo no fue transparente a la luz hasta tiempo después.

En 2014 el equipo de científicos del radio telescopio BICEP2 anunció que había encontrado evidencias de la existencia de estas ondas. Se consideró la noticia científica más importante del año. Sin embargo, meses más tarde, el mismo grupo tuvo que desmentirlo.

La noticia salió a la luz después de que nuevos datos, suministrados por el observatorio espacial europeo Planck, demostrara que el supuesto hallazgo podría haber sudo un error debido al ruido que genera el polvo galáctico presente en la Vía Láctea.

La expectación comenzó hace varios días después de que entre otros, Clifford Burgess, físico teórico de la Universidad McMaster de Hamilton (Canadá), dejara escapar un indiscreto correo electrónico. «¡Primicia! Alguien está a punto de ganar un Nobel», reza el asunto del e-mail. En él cuenta a sus colegas que hoy jueves se va a anunciar algo que la ciencia lleva décadas esperando: se han detectado por primera vez las huellas de la existencia de las ondas gravitacionales en el cosmos. Si es cierto y la conferencia de prensa en Washington ha sido convocada para eso, se habrá cerrado una de las búsquedas científicas más ambiciosas de la historia. Si no lo es, a pesar del chasco morrocotudo, habremos al menos dado un paso más en la comprensión de ese misterio que nos legó Einstein. Así que más nos vale prepararnos para entender lo que puede estar a punto de ocurrir.

Las ondas gravitacionales son un fenómeno cósmico fundamental para que el universo funcione tal y como lo conocemos, pero no tenemos certeza de que existan. Su presencia fue propuesta por primera vez por Einstein hace ahora 100 años, como parte de su explicación de la Teoría General de la Relatividad. Sabemos cómo funciona la electricidad y entendemos que las cargas eléctricas de distinto signo se atraen y las de igual signo se repelen. Lo hacen porque interactúan en un campo: el campo electromagnético. Es como si los electrones se empujaran unos a otros en el tatami de un combate de yudo. Algo parecido pasa con el sonido. Cuando recibimos el ruido de un trueno es porque el estallido ha generado ondas en el aire que hay entre la tormenta y nuestro tímpano. Einstein predijo que en el cosmos la gravedad funciona de manera similar. Un objeto masivo, como el Sol o un agujero negro, distorsiona el espacio a su alrededor y genera ondas que se transmiten por todo el cosmos.

Imagine una charca absolutamente tranquila, con el agua cristalina y quieta, sobre la que hay dos barquitos de papel. Si tiramos una piedra en un extremo, generaremos una onda que se transmitirá hasta los barcos y los moverá. Según Einstein, la gravedad atrae a los cuerpos del espacio por un fenómeno similar: los objetos más masivos generan ondas más gordas y cambian la posición de los menos masivos. Esto es así porque el espacio entre dos astros no está vacío, en realidad todos los cuerpos del universo descansan sobre una especie de tapiz invisible, sobre el agua de un inmenso charco a la que llamamos espacio-tiempo.

El problema es que nunca hemos podido demostrar que lo que Einstein dedujo matemáticamente fuera verdad. Ningún objeto humano ha sido capaz de detectar las perturbaciones producidas por esas ondas. Entre otras cosas porque son increíblemente pequeñas. La fuerza de marea de la Luna sobre la Tierra puede producir oscilaciones de hasta un metro que son fácilmente detectables al observar cómo sube o baja el agua entre la pleamar y la bajamar. Pero las ondas gravitacionales son minúsculas: uno de los sucesos más violentos del cosmos (la colisión de dos agujeros negros) produciría una perturbación en el espacio más pequeña que el tamaño de unos cuantos átomos juntos. ¿Imperceptible? No tanto. Existen varios experimentos en marcha que pretenden ser los oídos capaces de «escuchar» esas ondas.

Uno de ellos es el LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory), una instalación de dos túneles de cuatro kilómetros de longitud dispuestos en perpendicular en un páramo de California. Por su interior viajan sendos rayos láser que realizan un viaje de ida y vuelta. En condiciones normales, la posición relativa de los láseres siempre será la misma: perpendicular. Pero si se ven afectados por una onda gravitacional, todo cambiará. Es como si pintamos dos líneas perpendiculares en una tela y después estiramos la tela por uno de los bordes...las líneas dejarán de ser perpendiculares. El espacio deformado por las ondas gravitacionales ejercerá el mismo efecto sobre los láseres del LIGO.

Los científicos han confirmado las expectativas y afirmaron que han podido percibir esa sutil distorsión que anunció Einstein. ¿Y qué? ¿Por qué resulta esto tan excitante? Las ondas gravitacionales pueden ir cargadas de información igual que las ondas de sonido. Ondas procedentes del Big Bang nos darían pistas de cómo fue ese momento inicial. Las que vengan de agujeros negros nos ayudarán a entender ese fenómeno cataclismático.