El día que detectamos ondas gravitacionales

Transcurría un día común del Período Ectásico en un planeta Tierra 1300 millones de años más joven de lo que es ahora. En aquellos días, nuestro planeta presenciaba la aparición de las primeras formas de vida multicelular. Las algas eran los seres vivos más complejos que existían. En otra parte del universo, dos agujeros negros chocaron de forma espectacular. La masa de tres soles fue convertida en energía instantáneamente e irradiada al espacio en forma de ondas gravitacionales. El 14 de septiembre de 2015 esa energía llegó a la Tierra. Una de las formas de vida que hoy la habitamos –los seres humanos– detectamos su paso por primera vez en la historia.

Cotidianidad Opinión P369
Esta es una opinión

Uno de los tubos de LIGO, el impresionante invento humano que permitió detectar las ondas gravitacionales.

Foto: Flickr, Irish Typepad

El pasado jueves 11 de febrero se hizo el anuncio oficial de la primera detección de ondas gravitacionales, realizada por el Observatorio de Interforemetría Láser de Ondas Gravitacionales, conocido por sus siglas en inglés como LIGO. La noticia se anunció a los cuatro vientos en una emocionante conferencia de prensa, tal como tenía que ser. Y no era para menos, pues no vamos a volver a vivir nada similar durante el resto de nuestras vidas.

¿Por qué es tan importante el haber detectado ondas gravitacionales? Para responder la pregunta necesitamos poner el descubrimiento en el contexto apropiado.

Todo empezó cuando Albert Einstein postuló su teoría general de la relatividad, cuyo centenario celebramos en noviembre del año pasado. El éxito de toda teoría es poder explicar las observaciones que hacemos de la naturaleza. Con su teoría de la gravedad, Einstein logra explicar el avance del perihelio de Mercurio y la deflección de los rayos de luz al pasar cerca de una estrella (lo cual se verificó experimentalmente en el eclipse de sol del 29 de mayo de 1919).

La teoría de Einstein ha pasado muchas otras pruebas más y siempre ha salido victoriosa. Sin embargo, esas predicciones son soluciones aproximadas de las ecuaciones. El caso de Mercurio y la deflección de la luz son efectos debidos a un campo gravitacional débil, por lo que las aproximaciones funcionan muy bien. El mismo Einstein descubrió que una de esas soluciones aproximadas se comportaba como una onda, es decir, una onda gravitacional: una perturbación del espacio-tiempo que se propaga a la velocidad de la luz.

Pero una cosa es una onda que viaja después de haber sido producida y otra cosa es el evento que las produce. Lo primero se puede estudiar con una solución aproximada, lo segundo no. La fuente de ondas gravitacionales es un choque de dos agujeros negros. Es una situación en donde el campo gravitacional es increíblemente intenso y las velocidades de los agujeros negros son cercanas a la de la luz. Para entender la colisión es necesario resolver las ecuaciones de forma exacta, sin aproximaciones.

Una analogía útil es pensar en lo que sucede cuando arrojamos una piedra en un lago de aguas tranquilas. El punto donde la piedra entra al agua es como la colisión de agujeros negros. El agua salpica de forma caótica y violenta. Después que la piedra se hunde se produce un patrón de ondulaciones que se van alejando suavemente. Esas ondulaciones son las ondas que podemos estudiar exitosamente con fórmulas aproximadas.

El problema es que las ecuaciones de Einstein son muy complicadas de resolver. Es posible escribirlas de forma compacta así:

 

Sin embargo, escribirlas en todo su esplendor tomaría unas cien páginas. Resolverlas usando papel y lápiz está fuera del alcance humano.

Fue hasta la primera década de este siglo que las ecuaciones se pudieron resolver utilizando súper-computadoras. Por primera vez pudimos simular la colisión de dos agujeros negros y calcular las ondas gravitacionales producidas. Este era el frente teórico. La contraparte es el frente experimental. Allí es donde entra LIGO.

LIGO se construyó para observar ondas gravitacionales. El problema aquí era que las ondas son demasiado débiles. Se necesita un aparato con una sensibilidad de una parte en 10^21 (un 1 seguido de 21 ceros), eso es una pequeña fracción del diámetro de un protón. No un átomo, ¡un protón!

El desafío tecnológico era sin precedentes, pero se logró. LIGO es otro ejemplo de ciencia pura empujando los límites de la tecnología y la ingeniería.

Detectar una onda gravitacional con LIGO era como tratar de distinguir el suave maullido de un gato en una fiesta ruidosa. Siguiendo la analogía, las simulaciones por computadora de los choques de agujeros negros nos dijeron cómo era el sonido del maullido. Usando complejos algoritmos, los científicos de LIGO buscaban el maullido entre el ruido de la fiesta. El ruido era muy intenso y hubo que mejorar mucho el aparato para que fuera sensible al tenue maullido. Finalmente se logró y se pudo escuchar al gatito entre el ruido de la fiesta. Es más, se pudo saber qué tan lejos estaba (la distancia a la que ocurrió la colisión) y si era un gatito bebé o un gato adulto (las masas de los agujeros negros). Esa información está codificada en la frecuencia y amplitud de la onda.

En el anuncio oficial se dijo que fueron dos agujeros negros de 29 y 36 masas solares, los cuales en el momento de la colisión convirtieron tres veces la masa del sol en energía de ondas gravitacionales. Durante breves milisegundos la potencia irradiada fue 50 veces el brillo de todas las estrellas del universo juntas.

Entonces, la importancia del descubrimiento es que ahora sí tenemos evidencia directa de que la teoría de Einstein nos da el comportamiento correcto de las fuertes distorsiones del espacio-tiempo, en el régimen de campo intenso y altas velocidades generadas en la dinámica de la colisión de agujeros negros.

Transcurrieron cien años para verificar la hipótesis formulada por una persona trabajando únicamente con su cerebro y su imaginación, apoyado sobre hombros de gigantes.

Las ondas gravitacionales nos darán información de regiones del universo de donde no podemos detectar ondas electromagnéticas, porque son absorbidas por polvo y nubes de gas. En este sentido las ondas gravitacionales son como el sonido que puede atravesar la niebla, misma que bloquea la luz.

Personalmente, el descubrimiento me causa mucha alegría, porque es justamente a lo que me dediqué todos mis años de postgrado. Es una satisfacción muy grande saber que formé una pequeña parte del esfuerzo de simular y calcular ondas gravitacionales.

En un sentido más amplio, es un triunfo de la especie humana, de su ardorosa pasión y tremendo afán por comprender la naturaleza. La realidad se presenta ante nuestros ojos con un rostro familiar a la experiencia cotidiana. Pero detrás de los ojos de ese rostro aprendimos a reconocer verdades ocultas, misterios que entregarían sus secretos únicamente al hablarles en su propio lenguaje, el de las matemáticas. Así hemos descubierto que el universo es misterioso pero también es conocible.

Si un descubrimiento científico no tiene más fin que mostrarnos el universo –para apreciarlo como realmente es durante la brevedad de nuestra existencia–, cualquier costo o esfuerzo es poco comparado con aprender algo sobre nuestro origen. Poniéndolo en perspectiva: a los humanos les tomó 25 años construir LIGO, al universo le tomó 4000 millones de años construir humanos.

Enrique Pazos
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Enrique Pazos. Físico, protector de la verdad y viajero del tiempo. Profesor de física y matemática en la Universidad de San Carlos. Montañista de a ratos, curioso de tiempo completo. @enriquepazos


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COMENTARIOS

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    Pablo /

    22/02/2016 11:25 AM

    Que fantástica columna, como siempre. Enrique, tus columnas son de las pocas que han mantenido calidad en este medio. Felicitaciones.

    ¡Ay no!

    ¡Nítido!

    Carlos E. Martinez /

    15/02/2016 8:42 PM

    Gracias Enrique, tus articulos para poderlos entender, minimo debo de leerlos 3 veces, me parece interesante y valioso tu aporte, gracias por esta explicación, cuando vi la noticia me alegre pero no sabía de que trataba, ahora ya !! saludos

    ¡Ay no!

    ¡Nítido!

    Estuardo /

    15/02/2016 1:36 PM

    no les da escalofrio cuando menciona ¡¡¡ 4000 millones de años ¡¡¡¡

    ¡Ay no!

    ¡Nítido!

    P. Choy /

    15/02/2016 10:47 AM

    Si detectaron el movimiento de desplazamiento de un protón, que pasa con el principio de incertidumbre?

    Como hicieron para estar seguros que no fue un pequeño sismo del tamaño de un protón?

    Creo que falta mucho para examinar los resultados, hay que ser pacientes y escépticos... En el pasado han dicho cosas sobre que los neutrinos viajaban más rápido que la luz, y fueron al final malos cálculos, interferencias y ruido de los equipos....no me creo lo del movimiento del protón....

    ¡Ay no!

    1

    ¡Nítido!

      P. Choy /

      15/02/2016 2:01 PM

      Gracias por la explicación

      ¡Ay no!

      ¡Nítido!

      Enrique Pazos
      Enrique Pazos /
      15/02/2016 12:35 PM

      Excelente observación! No hay que llegar al principio de incertidumbre, el movimiento término es mucho más grande y también lo son los movimientos sísmicos. Sin embargo, la fracción de protón es una distancia promedio, es el desplazamiento promedio de todos los átomos del espejo sobre el que rebota el láser que mide la distancia.

      LIGO está aislado contra movimientos sísmicos, además existen dos observatorios separados 3000 kilómetros. Sólo una señal verdadera aparece en ambos detectores separas por el intervalo de tiempo que le toma a la señal recorrer esa distancia.

      ¡Ay no!

      ¡Nítido!



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