LIGO: El descubrimiento de las ondas gravitacionales

 

Cortesia Hanford observatory

Cortesia Hanford observatory

Tengo que reconocer sin ambages que el pasado jueves 11 de febrero de 2016 fue uno de los días más increíbles de mi vida profesional. Asistí en directo a la rueda de prensa en la que el equipo del LIGO, liderado por Kip Thorne (que, por cierto, no es un cualquiera en esto de la física teórica), anunciaba que habían encontrado evidencias de la existencia de ondas gravitacionales. Debo decir antes de nada, que si el logro científico es evidente, más lo es sin duda el tecnológico.

Fue el propio Albert Einstein (1879-1955) quien dedujo en 1916, un año después de la publicación de la Teoría de la Relatividad General, la existencia de las ondas gravitacionales. Esta no es sino una predicción más de las muchas que hacía su teoría; predicciones que, poco a poco y con el paso del tiempo, se han ido demostrando una a una. Por eso, desde un punto de vista científico, el descubrimiento de las ondas gravitacionales no viene más que a confirmar la genialidad de Einstein y su profundo conocimiento del universo a través de su teoría. Conocimiento que compartimos los que desde la universidad hemos tenido el privilegio de adentrarnos en los misterios de sus maravillosas ecuaciones. En mi caso, fue de la mano del profesor Jose Manuel Sánchez Ron.

Ahora bien, desde un punto de vista tecnológico, el descubrimiento de las ondas gravitacionales nos deja un antes y un después. La capacidad del ser humano para idear un experimento y construir un aparato capaz de tal hazaña está muy lejos de ser comprendida y valorada por el común de los mortales, siendo este artículo un intento de cambiar eso. Y una vez más, la interferometría, fenómeno físico utilizado en todas las ramas punteras de la física y del conocimiento humano, desde la mecánica cuántica hasta la radioastronomía, ha jugado y juega un papel fundamental. Añádase la capacidad de computación actual de nuestros microprocesadores y la posibilidad de gestionar y analizar gran cantidad de datos y tendremos una cocktelera que, una vez agitada convenientemente, nos ha dado una inmensa alegría.

Quizá si pensamos en el universo, en la estructura espacio-temporal del mismo, como si de un océano se tratara, resulte más fácil entender el concepto de onda gravitacional. Supongamos una superficie del agua quieta, perfectamente estática y pensemos que la forma del agua (en este caso se trata de una superficie lisa y estática) equivale a la geometría del espacio-tiempo. Si sumergimos una pelota de una determinada masa y tamaño, perturbamos el agua. En el otro clásico ejemplo mental de la colchoneta y la bola de plomo, esta pelota haría que la colchoneta se deformara por el peso. Pero con el ejemplo del agua resulta más sencillo explicar qué ocurre si la bola se mueve con movimiento acelerado. En el ejemplo del agua, al mover la pelota, veremos como aparecen ondas sobre el agua. Pues bien, Einstein afirmó en 1916 que una masa que se mueve en movimiento acelerado genera ondas en la estructura del espaciotemporal del universo. Esas ondas, deforman la geometría del espacio-tiempo y se transmiten como las olas generadas al mover una pelota en el agua, a la velocidad de la luz.

Si bien es cierto que el experimento de LIGO ha sido el primero en mostrar evidencias de tales ondas, no es menos cierto que se tenía (desde 1974) confirmación indirecta de la existencia de las mismas. Fueron Russel Hulse y Joseph Taylor quienes, en 1993, recibieron el premio Nobel de Física por su descubrimiento. En 1974 observaron un sistema binario formado por un pulsar y una estrella normal y corriente. Hulse y Taylor comprobaron que el sistema estaba perdiendo energía a medida que ambos objetos giraban uno alrededor del otro. Esa cantidad de energía que perdía el sistema no era otra cosa que el resultado de las ondas gravitacionales que se estaban generando debido a los movimientos acelerados de la estrella y del pulsar. Ambos objetos, como la pelota de nuestro ejemplo, arrastraban el espacio-tiempo generando las ondas gravitacionales.

Hulse y Taylor obtuvieron una prueba indirecta y ganaron un premio Nobel por ello, pero quedaba pendiente tener una prueba irrefutable de la existencia de tales ondas. Necesitabamos observarlas. Y ni siquiera teníamos la certeza de poder hacerlo. La gravedad es la más débil de las fuerzas de la naturaleza. Podemos dejar una aguja sobre la mesa y permanecerá estática; pero si acercamos un pequeño imán, la fuerza magnética del mismo es tan superior a la gravitatoria que ese pequeño imán vence a todo un planeta como la Tierra y la aguja se levantará y se acercará al imán hasta pegarse a él. Así pues, las ondas gravitacionales son un fenómeno extremadamente débil. Hacía falta idear un experimento y tener la tecnología suficiente como para poder detectarlas. Y eso es lo que ha hecho el equipo de LIGO.

El experimento, fruto de años de trabajo, se inició en 2005 sin demasiado éxito, hasta que una mejora sustancial en los sistemas convirtió a LIGO en Advanced LIGO, una máquina 10 veces más potente que la anterior. LIGO está formado por dos grandes tuberías de cuatro km de largo, que forman un ángulo recto entre sí, como si de una L gigante se tratara. Ambas tuberías son perfectamente rectas puesto que cualquier perturbación echaría al traste con el experimento. El siguiente artilugio en entrar en escena es un láser de alta frecuencia. Se dispara el láser que inicide sobre un espejo semireflectante, lo cual divide el haz en dos haces, cada uno exactamente igual al otro, y que se disponen a viajar hasta el final del tubo, a 4 km. Al llegar al final, ambos haces son rebotados en su tubo correspondiente gracias a sendos espejos. Esta operación se repite hasta que sendos “fotones” de cada haz recorren 1600 km. Hacerlo durante más tiempo (más distancia recorrida), atenuaría demasiado el láser y afectaría al experimento, aunque en las tuberías se ha hecho un vacío, el más perfecto posible, con la idea de evitar precisamente esa atenuación al máximo.

Recorridos esos 1600 km, los haces se reagrupan en el detector. Cada haz es exactamente igual al otro por lo que, al juntarse, debe coincidir la frecuencia de cada haz (cada cresta con la cresta del otro y cada valle con el valle del otro). Si esto no ocurre, si los láseres llegan desfasados, eso sólo es posible si uno de los dos láser ha recorrido más distancia que el otro. En ese caso no recuperamos el láser original, sino que obtenemos un patrón de difracción: estaríamos ante un efecto de interferometría. Es evidente que un mini terremoto apenas perceptible por los propios sismógrafos, o incluso el paso de un coche por las inmediaciones, puede causar una perturbación lo suficientemente grande como para que queden enmascarados los fenómenos que queremos observar. Para que nos hagamos una idea, el experimento tiene que ser lo sufientemente sensible como para detectar en la una distancia de 4 años-luz (que sería el equivalente a nuestros 1600 km) una perturbación del tamaño del grosor del un cabello humano (que equivale a la milésima parte del tamaño de un protón).

Debido precisamente a todos los efectos locales (coches, temblores de tierra y demás) que podrían enmascarar las ondas gravitacionales verdaderas causando falsos positivos, se optó por realizar el experimento por duplicado, montando dos LIGOs: uno en en Hanford (Washington) y otro en Livingston (Luisiana). Es evidente que un coche que pase por Livingston puede afectar al LIGO de Livingston, pero no al de Luisiana coincidiendo en el tiempo. De este modo, los potentes ordenadores pueden deducir si un evento es local o no lo es. En el caso de que una onda gravitacional atravesara la Tierra sería detectada en primer lugar por uno de los dos LIGOs, dependiendo de la dirección que llevara la onda. Transcurrido el tiempo que tarda la luz (pues las ondas gravitacionales se desplazan a la velocidad de la luz en el vacío) en ir de Hanford a Livingston, exactamente la misma perturbación sería detectada en el otro LIGO.

Y eso es precisamente lo que han anunciado el pasado 11 de febrero de 2016. En septiembre de 2015, una onda gravitacional fue detectada por Hanford y por Livingston, separados ambos eventos el mismo tiempo empleado por la luz en recorrer la distancia entre ambos observatorios. ¿Qué efectos tuvo la onda en los componentes del experimento? Cuando la onda gravitacional se encuentra con nuestro planeta, perturba la estructura del espacio-tiempo donde nos encontramos sumergidos, estirando y encogiendo la materia. En el caso de nuestro experimento, cuando la onda se encontró con las tuberías alargó una a la vez que encogía la otra situada perpendicularmente. Esto provocó una perturbación en la distancia recorrida por el láser, que hizo que al juntarse de nuevo ambos haces, estuvieran desacoplados generando un patrón de interferencia. La distancia afectada fue de 10-21m. Dado que la misma perturbación fue detectada en el otro LIGO, estamos ante un evento que atravesó el planeta a la velocidad de la luz, estirando y encongiendo las tuberías del experimento (junto con todo lo demás que encontrase a su paso, evidentemente); es decir, estamos ante una onda gravitacional con una seguridad muy cercana al 100%.

Estas medidas sólo han sido posible cuando la tecnología así lo ha permitido. ¿Tenemos una nueva ventana para mirar el universo? Sí. Quizás sea tan revolucionario como lo fue el invento del telescopio astronómico hace más de 400 años.