Héctor Rago
Desde hace diez años las ondas gravitacionales nos atraviesan descaradamente. Antes también, pero no nos constaba. Pero hace exactamente una década las ondas gravitacionales fueron detectadas por primera vez. ¿Qué novedades nos ha deparado esta década? Regálame unos minutos y te cuento.
Imagen artística de ondas gravitacionales
La ley de gravitación universal de Newton tiene una falla de origen: supone una acción instantánea a distancia y eso es problemático. Newton estaba al tanto de ese problema, pero no sabía cómo enmendarlo. En 1905 Einstein entendió que la velocidad de la luz es una barrera que nada ni nadie puede superar. Desarrollar una nueva teoría de la gravitación libre del pecado de la propagación instantánea se convirtió en una urgencia conceptual. No fue que si Einstein se despertó un día y dijo “hoy amanecí como con ganas de hacer una nueva teoría de la gravedad”, no, así no funciona. En 1915 Einstein publicó la relatividad general, la exitosísima teoría de la gravitación que resolvió ese problema y nos dio una nueva mirada sobre la gravedad. La gravitación universal de Newton es una aproximación muy buena, pero la relatividad predice fenómenos que la teoría de Newton no. Por ejemplo, ondas gravitacionales.
Einstein demostró en 1916 que las ecuaciones de la relatividad establecían que los cuerpos masivos cuando están acelerados, emiten ondas gravitacionales, campos gravitacionales que viajan a la velocidad de la luz. Poco después obtuvo una expresión para la energía que emitirían cada segundo dos masas que giren una alrededor de la otra. El valor era decepcionantemente débil; para hacernos una idea, la potencia de las ondas gravitacionales emitidas por el sistema Sol-Tierra es de apenas unos 200 watios, menor que la de un bombillo de casa, repartidos alrededor de todo el sistema solar, eso es indetectable. La razón de que esta energía sea tan pequeña es por lo débil que es la fuerza gravitacional. “Spoiler”, la gravedad es la fuerza más débil de todas, no creas en cuentos de youtubers.
Una predicción en ciencia, siempre es buena, pero una predicción confirmada es mejor. Como santo Tomás: detectar para creer.
Si queremos detectar ondas gravitacionales, hay que buscarlas en fenómenos mucho muy violentos. Y necesitas un detector de ondas gravitacionales.
Como sea la red que lances, así serán los peces que atraparás. El diseño de un detector depende de las características de lo que quieres detectar.
También hacen falta astrofísicos que nos digan las posibles fuentes que emiten ondas gravitacionales; físicos teóricos que provean las ecuaciones que las describen, computistas que diseñen códigos para hallar soluciones numéricas porque las ecuaciones de la relatividad general tienen la mala costumbre de ser muy pero muy complicadas, con cientos y cientos de términos y no se pueden resolver a mano. Necesitas hacer simulaciones numéricas, y plantillas para comparar con lo que el detector registre al recibir una onda gravitacional. Y necesitas físicos experimentales e ingenieros capaces de construir la tecnología ultra sofisticada, tan sensible que sea capaz de registrar variaciones de distancia de una milésima parte del tamaño de un protón: una locura! Y necesitas dólares, muchos dólares. Más de mil investigadores, estudiantes de doctorado, grupos de investigación de muchas universidades, técnicos, diseñadores y ¿quién dijo miedo?
Lo cierto es que el Observatorio Gravitacional por Interferometría Láser, LIGO, para los íntimos, registró la primera detección en septiembre del 2015.
Y en febrero de 2016 con bombos, platillos, filtraciones de información, medios informativos, expectativas, CNN y champaña fría, vino el anuncio. “Eureka, Eureka!! las encontramos”, hubiera podido grita David Reitz, el director ejecutivo de LIGO, como un Arquímides redivivo, si hubiera sido griego, pero era gringo, de modo que lacónicamente, solo anunció: “we did it, hemos detectado ondas gravitacionales”
La detección fue registrada casi un siglo después de la predicción; y el patrón de la señal permitía concluir que correspondía a los últimos segundos de dos agujeros negros a 1300 millones de años luz de nosotros. Ellos “espiraleaban”, si se nos permite el verbo, girando uno alrededor del otro a velocidades cercanas a la de la luz, emitiendo ondas gravitacionales hasta que en cuestión de segundos, se fundieron en uno solo y el sistema se estabilizó y dejó de emitir.
Durante los instantes finales esa fusión emitió alrededor de 50 veces más energía transportada por las ondas gravitacionales, que todas las galaxias del universo observable en energía de ondas electromagnéticas.
Dos años después, en 2017, se registró por primera vez la fusión de dos estrellas de neutrones, eventos que se conocen con el nombre de kilonovas. El detector espacial Fermi, detectó la recepción de rayos gamma casi simultáneamente con la activación de los detectores de LIGO. La onda gravitacional fue detectada durante unos cien segundos, al comienzo con una frecuencia de alrededor de 20 ciclos por segundo y hacia el final, con mayor amplitud, y una frecuencia de varios cientos de ciclos por segundo. Como hubo emisión de ondas gravitacionales y electromagnéticas, se pudo demostrar que la velocidad de las ondas gravitacionales es igual a la velocidad de la luz, como predecía la relatividad. Además el análisis de la luz que despidió permitió confirmar que la mayor parte del oro y el platino del universo se forma en esas fusiones de estrellas. En ese choque del 2017 se formaron alrededor de varias veces la masa de nuestro planeta, en oro, el sueño húmedo de los traficantes. Ese año, el 2017, el premio Nobel fue la para el físico teórico Kip Thorne, (por cierto, asesor de la película Interstelar), Reiner Weiss y Barry Barish, los artífices principales del LIGO.
En estos diez años luego de la portentosa observación del 2015, se han construido nuevos detectores que trabajan en estrecha colaboración con LIGO, y que han registrado más de trescientas detecciones, figúrate tú!! De las que se han confirmado como un centenar, casi todas son de fusión de agujeros negros con agujeros negros, dos de estrellas de neutrones binarias y una confirmada de estrella de neutrones con agujero negro.
Terminando de escribir este post, fue anunciada los resultados de una detección hecha en enero 2025. LIGO tiene hoy el triple de la precisión de hace diez años, esa precisión permitió observar el cumplimiento de un resultado teórico muy importante hecho por Stephen Hawking en los años 70´s: cuando dos agujeros negros se funden en uno, el área del agujero negro resultante es mayor que la suma de las áreas de los agujeros negros antes de fusionarse. Una vez más el resultado teórico es verificado por precisas observaciones. Esta detección, la más clara hasta ahora también nos reveló que a pesar de que antes de que se fusionen los agujeros negros la física es extremadamente compleja, una vez fusionados, el maremágnum se calma en una situación asombrosamente simple. El agujero negro está descrito solo por su masa y su rotación. Para que alardeen un poco, está descrita por la solución de Kerr.
La fortaleza de las ondas gravitacionales en trance de hablarnos del universo es, paradójicamente su debilidad. Las ondas gravitacionales pasan casi impunemente a través de la materia, sin sufrir alteraciones brindándonos una información precisa de la naturaleza de la fuente que emitió las ondas.
Nuevos detectores en tierra y en el espacio prometen para dentro de una década captar ondas gravitacionales que nos informen de los primerísimos instantes después del big bang. En los primeros 400.000 años, el universo no puede ser observado con telescopios ordinarios porque era muy caliente, la materia era un plasma, ópticamente opaca.
La detección de las primeras ondas gravitacionales hace diez años es una singular metáfora de cuando Galileo levantó por primera vez un telescopio a los cielos y presagió al telescopio espacial James Webb. La astronomía de ondas gravitacionales apenas comienza y promete revelarnos intimidades de nuestro universo…
Como dice el comentarista deportivo: “El juego se puso lindo!!”
