Ondas Gravitacionales: la importancia de la ciencia española

 

Recreación de ondas gravitacionales. Credit NASA

Recreación de ondas gravitacionales. Credit NASA

En febrero de 2016 asistimos a uno de los anuncios más importantes en cuanto a descubrimientos científicos se refiere de los últimos años: la detección, por vez primera, de ondas gravitacionales. Pocos eran los que dudaban de su existencia, tal es la confianza en la teoría General de la Relatividad de Einstein que las predice. Más bien la cuestión estaba en si teníamos la tecnología necesaria para detectarlas, pues, aunque los fenómenos que las producen son terriblemente energéticos (por ejemplo, la fusión de dos agujeros negros), el resultado en cuanto a las ondulaciones del espacio-tiempo que vamos a poder medir desde la Tierra, es muy pequeño. Apenas estiramientos de esa estructura espacio-temporal de 10-18 metros o incluso más pequeños. Si un átomo tiene unas dimensiones medias de 10-10 metros, ya me dirán si no es necesaria una tecnología puntera casi rayando lo sobrenatural para detectar variaciones tan mínimas.

Pero esa tecnología la tenemos desde hace tiempo y se basa en nuestra capacidad de medir el tiempo cada vez con mayor precisión, con muchos ceros tras la coma, y también en los fenómenos de interferometría. Porque en realidad LIGO no es más que un experimento de interferometría: dos láseres muy precisos que son lanzados para seguir caminos perpendiculares y que rebotan en un espejo y vuelven a juntarse. Si todo transcurre de manera normal, es decir, si no hay ondas gravitacionales pasando a través de nuestro planeta o fenómenos locales que afecten al camino que recorren los láseres, como mini terremotos u otras perturbaciones, ambos láseres llegarán en fase y se ajustarán uno al otro perfectamente. Ahora bien, si hay algún tipo de perturbación que afecte a la longitud de láser, cuando ambos rayos confluyen, lo harán desfasados, primero llegará uno y luego otro, produciendo un patrón de interferometría. De ese patrón podremos deducir el tamaño de la perturbación. Y la onda gravitacional, al pasar, hace exactamente eso: alargar el camino de uno de los dos láseres (el otro es perpendicular).

Para evitar que los fenómenos locales llenen las noticiarios de descubrimientos falsos de ondas gravitacionales, LIGO es un experimento que se hace por duplicado. Existen dos laboratorios separados miles de kilómetros, de manera que sólo una perturbación que afecte a ambos laboratorios y que sea detectada primero por uno de los dos y luego por el otro, siendo “luego” igual al tiempo que tarda la luz en ir de un laboratorio al otro, podrá considerarse sin duda una detección de onda gravitacional, pues es sabido que estas ondas se desplazan a la velocidad de la luz. El resto serán falsos positivos detectados localmente: un coche que pasa por las inmediaciones, un mini terremoto de escala cero, no medible por los sismógrafos… son tantos los fenómenos locales que pueden afectar que podríamos decir que la dificultad de este tipo de experimentos está en quitarse todo ese “ruido” local que nos despista, para quedarnos con el dato real. Y eso significa tener una capacidad muy elevada de análisis de datos.

Normalizar este tipo de descubrimientos nos abriría una ventana nueva donde mirar. Podríamos fabricar telescopios que midieran esas perturbaciones espacio-temporales y obtener información del universo no relacionada con la luz, las ondas electromagnéticas. Pues toda la información que nos viene del cielo lo hace en forma de onda electromagnética, salvo estas perturbaciones espacio-temporales. Casi lo de menos fue confirmar una vez más una teoría mil veces confirmada, una predicción más del genial Einstein; la existencia de estas ondas sólo demuestra que el edificio construido por Einstein describe la naturaleza del Universo hasta detalles extremadamente increíbles. Casi uno piensa que en realidad el Universo es un tensor matemático y que todo lo que puedes hacer con ese tensor es todo lo que el universo hace consigo mismo.

Y ha vuelto a ocurrir. Si en febrero los investigadores de LIGO, con Kip Thorne a la cabeza, hacían su anuncio, meses después han confirmado una segunda detección. La primera de las señales es conocida como GW150914 y fue registrada el 14 de septiembre de 2015 en los detectores de Livingston (Louisiana) y Hanford (Washington); su origen lo encontramos en la fusión de dos agujeros negros. La presentación de estos datos se realizó en febrero de 2016, confirmado la existencia de las ondas gravitacionales. Los lectores atentos a todo lo anterior comprenderán que la cantidad de información a analizar día a día es enorme. Esto, unido al hecho de que bajo ningún concepto se quería lanzar una noticia que posteriormente se confirmara errónea (ya ocurrió precisamente con un hipotético descubrimiento anterior de ondas gravitaciones por otro equipo), hace que los datos se revisen una y otra vez. No es de extrañar que hayamos tenido que esperar medio año para confirmar la segunda detección de estas maravillosas ondas. Se trata de la señal GW151226, también fruto de la unión de dos agujeros negros de 14 y 8 veces la masa del Sol, y detectada en ambos laboratorios el 26 de diciembre de 2015. Esta fusión originó un único agujero negro de unas 21 masas solares, provocando una perturbación espacio-temporal que ha viajado por el espacio hasta llegar a nuestros detectores. La cantidad de energía contenida en las ondas gravitacionales generadas equivale a la masa de nuestro Sol.

La señal llegó primero al detector de Livingston y 1,1 milisegundos después llegó a Hanford. El segundo laboratorio, aparte de servir para confirmar que no estamos ante un evento local, permite como lo hacen nuestros oídos, “ver” la onda en estéreo y poder deducir la distancia a la que se encuentra la fuente. En este caso, la fusión de los agujeros negros se produjo a una distancia de 1.400 millones de años-luz. Los dos agujeros negros que intervinieron en este evento celeste son mucho menos masivos que los que causaron la primera señal, por lo que los científicos nos encontramos muy esperanzados en cuanto al estudio que se va a poder realizar a través de estas ondas de las distintas poblaciones de agujeros negros que pululan por el universo conocido.

Y como en tantas otras ocasiones, de tapadillo, la ciencia española estuvo y está presente en los descubrimientos de LIGO. La señal GW151226 se identificó 70 segundos después de su detección gracias a algoritmos matemáticos. Aproximadamente 60 segundos después ya se tenían las primeras estimaciones del origen gracias a una técnica que se conoce como filtrado adaptado y que permite la comparación entre los datos teóricos de señales gravitacionales con los datos medidos. Es un proceso complicado donde el filtrado y el posterior análisis juegan un papel fundamental. Y es ahí donde entra la tecnología y la ciencia española, porque el desarrollo de los catálogos teóricos precisos de cómo son las ondas gravitacionales basados en la Relatividad General de Einstein, es una de las actividades principales del GRG, Grupo de Relatividad y Gravitación, liderado por Alicia Sintes, de la Universidad de las Islas Baleares. Es un trabajo complicado donde también interviene la Red Española de Supercomputación para realizar las simulaciones numéricas necesarias. E incluso el MareNostrum, el supercomputador más potente de España, del Barcelona Supercomputing Center, esencial para el desarrollo de los catálogos.