Especial 2: Ondas gravitacionales Especial 2: Ondas gravitacionales

Valentina Raffio

La confirmación de la existencia de las ondas gravitacionales ha supuesto un gran avance para el estudio del universo. Con este nuevo descubrimiento se empieza a arrojar luz sobre muchos de los misterios del cosmos. Esto marcará un punto de inflexión en la observación y estudio del universo. Por un lado, se confirma que las arriesgadas y revolucionarias teorías de Einstein son ciertas y explican muchos de los misterios que no eramos capaces de comprender. Por el otro, se abre un emocionante camino en la exploración espacial. Ante este panorama tan solo queda aguardar con ansiedad cual será el siguiente misterio que nos desvelará el universo. Y, por el momento, acabar de entender en qué consiste este última maravilla que este nos desvela: las ondas gravitacionales. 

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Para más información: Marzo 2016, ondas gravitacionales

El don de equivocarse El don de equivocarse

En el centro de la ciudad alemana de Ulm, en el número 20 de la Banhofstrasse, nacía el hombre que revolucionó la física moderna. Era el año 1879 cuando el nombre de Albert Einstein sonó por primera vez en esa humilde casa, mucho antes de convertirse en el referente de la ciencia del futuro. De ese hogar tan solo queda el recuerdo, después que una bomba lo destruyera durante la Segunda Guerra Mundial. Hoy en día en su lugar se alza un monumento a la memoria del físico. Con él se demuestra que, aunque algo deje de existir físicamente, el recuerdo que evoca puede llegar más allá del tiempo y el espacio que ocupa. Con la figura de Albert Einstein pasa exactamente lo mismo: supuso una revolución tan grande que ni su propia muerte consiguió acabar con su legado.

Hijo de padres judíos, el pequeño Albert resultó ser un niño distraido durante su infancia , con dificultades para aprender y mal estudiante. Durante años sus padres creyeron que era un niño retrasado. No habló hasta los 3 años y no aprendió a caminar hasta mucho más tarde. En cierta manera, podemos considerar que la clave de su éxito fue equivocarse, no darse por vencido, aprender de sus errores y no dejarse condicionar por lo que decían de él. Su pasado nefasto no resultó ser un obstáculo para desarrollar una de las mentes más brillantes jamás existidas. “Si buscas un resultado distinto no hagas siempre lo mismo”, decía. Ir más allá de lo conocido, no conformarse con los dogmas clásicos, cuestionarlo todo, crear teorías que huyan de la propia comprensión, darse cuenta de que no hay límites para el conocimiento humano. Einstein, entre la reflexión científica y la filosófica, consiguió revolucionar el mundo en el que vivía.

El año 1905 resultó ser su Annus Mirabilis, el año de los milagros. Einstein publicó los artículos que constituirían la base de la revolución física que acababa de empezar. Habló sobre el efecto fotoeléctrico, el movimiento browniano y la teoría especial de la relatividad. Con ellos empezó a crear una nueva escuela, una nueva física con capacidad de desarrollarse más allá de los parámetros clásicos. Rompió los principios sagrados conocidos hasta el momento, destruyó los grandes referentes, refundó muchas de las creencias más básicas como el concepto de gravedad. Diez años más tarde, no contento con lo que había conseguido, publicó su Teoría General de la Relatividad. Con ella consiguió reformular totalmente el concepto de gravedad consolidado a partir de las teorías de Newton.

Albert Einstein consiguió algo que pocos hombres han conseguido. Salió de su laboratorio, se quitó la bata y se dio a conocer al mundo entero, revolucionado las mentes de muchos. Más allá de su revolución científica, el físico consiguió ser un altavoz para sus ideas, que la gente lo escuchara, que los medios de comunicación lo persiguieran.

Un universo abstracto Un universo abstracto

Durante siglos, el universo se concibió como un espacio etéreo donde todo funciona de manera mecánica. Planetas, sistemas y galaxias se movían entre ellas en harmonía como el mecanismo de un reloj. Los más creyentes atribuían este movimiento a la voluntad de Dios, quien controlaba el espaciotiempo a través de su órgano de percepción, conocido como Sensorium Dei. Otros intentaron romper esta concepción concibiendo un éter, un elemento que rellenaba los vacíos del universo y que servía de engranaje para ese mecanismo cósmico. El universo parecía ser una obra maestra condenada a ser incomprendida. Tuvieron que pasar años para que alguiencomprendiera esa divina abstracción que representaba el cosmos.

Como la primera vez que Kandinsky observó de reojo una pintura clásica de sus contemporáneos, Einstein cambió la concepción de las leyes de la física al mirar escépticamente a los padres de la disciplina. El físico rehusó la teoría del éter, desmontando a Newton. También rechazó las leyes de la gravedad planteadas por sus antecesores, sobrepasando a Galileo. Al destruir los patrones convencionales de la física, Einstein creó su más grande obra de arte: la teoría de la relatividad. Las bases de ésta resultaron fascinantes para las generaciones a venir e inspiraron a muchos a seguir cuestionándose cada una de las pequeñas cosas que antes se consideraban como dogmas. Y es que el físico planteó un universo donde no hay un absoluto.

La simultaneidad, el ahora, el espacio, el tiempo, nuestros parámetros para medir el mundo, todo se desvanece en el espacio hasta convertirse en relativo. De la misma manera que en una acuarela los colores se diluyen bajo la delicada caricia del agua. La mecánica del mundo físico, en la que el tiempo, la distancia y la masa resultaban ser las constantes absolutas, se desmoronaban para dejar paso a la incertidumbre de lo relativo. Aún así, para Einstein su teoría de la relatividad no se presentaba necesariamente como una contradicción con el conocimiento anterior. Para él, la física clásica conocida hasta el momento servía perfectamente para explicar los fenómenos de la vida cotidiana. Sin embargo, hacía falta ir un paso más allá para entender el funcionamiento del universo, tan complejo y misterioso como nunca. De aquí la relatividad.

Con la teoría de la relatividad especial, Einstein refundó dos grandes pilares de la ciencia. En primer lugar, determinó que las leyes de la física no varían en función al sistema de referencia que se tome. Todos los fenómenos que ocurren en la naturaleza son los mismos independientemente del sistema en el que tengan lugar. En este sistema, la única constante que podemos mantener es la velocidad de la luz, que permanecerá inalterada en cualquier lugar circunstancia. Y aquí la segunda de sus grandes aportaciones. Ante la incertidumbre que arrojaba el concepto de relatividad, la luz se convertía en la constante absoluta que sería tomada como referencia. De esa manera, el espacio-tiempo se convertía en un marco de percepción totalmente subjetivo que jamás podría servir como parámetro universal para medir los fenómenos de la física. Un cuerpo puede estar a la vez quieto y en movimiento dependiendo de los parámetros que se tengan en cuenta. Puede estar quieto respecto a su entorno más próximo. Pero, a la vez, estará en movimiento junto al planeta, al sistema solar y a las galaxias.

Los paradigmas empezaron a cambiar. Para describir el nuevo universo dibujado por las teorías de Einstein se necesitarían tres pinceles. Uno para el tiempo, otro para la distancia y uno más para la masa. Los tres parámetros perdían su carácter dogmático para convertirse en relativos de la misma manera que las témperas matizan sus tonalidades al entrar en contacto con el agua. Todos ellos deberían utilizarse con garbo para dibujar un cosmos entendido casi como una pintura abstracta. En él, todo sería relativo a su espectador; dependiendo de su mirada, su observación y perspectiva. A simple vista, dos estrellas pueden parecer idénticas desde la Tierra. Sin embargo, entre ellas puede haber más de 300 años luz de distancia.

De esta manera, gracias a las aportaciones de Einstein el mundo empezó a mirar al cosmos bajo una nueva luz. Poco a poco los astros iban desentrañando los misterios más profundos que en ellos se encerraban. Y a la vez, aquellas mismas estrellas iban creando más misterio y admiración a su alrededor. Habían sido descubiertos nuevos colores, nuevos matices, nuevas maneras de entender aquella inmensa obra de arte. Un cuadro abstracto que poco a poco fue adquiriendo otro sentido. 

Ondas gravitacionales Ondas gravitacionales

Imaginemos una tranquila balsa de agua en una mañana de primavera. Sus aguas, incorruptibles, permanecen quietas bajo la atenta mirada de los rayos del sol. De pronto, algo perturba la calma de esta tranquila mañana. Una piedra cae con fuerza en el medio de la balsa. Las aguas a su alrededor pierden la calma. Se van creando círculos concéntricos tomando como referencia la irrupción de la piedra. Las ondas se van expandiendo por el agua. Al principio, forman curvas pronunciadas y violentas. Al alejarse del epicentro, se vuelven más mansas hasta perderse del todo en la quietud del agua estancada. Y ahora, con el mismo ejercicio de abstracción vayamos un poco más lejos. Imaginemos que la balsa de agua es el universo, el agua es el tejido del espacio-tiempo y la piedra lanzada es un evento abrupto que perturba la calma del cosmos. Como resultado obtendremos una imagen bastante poética de lo que vendrían a ser las ondas gravitacionales. Perturbaciones del espacio-tiempo causadas por un fenómeno abrupto del universo. El once de febrero de 2016, la Tierra fue bañada por primera vez con el suave eco desprendido por este fenómeno físico. Un baño de evidencias, que ha servido para demostrar aquello que durante siglos ha permanecido bajo el sigilo de las incertezas.

Las ondas gravitacionales representan una perturbación del espacio-tiempo causada por un cuerpo masivo, es decir, un objeto dotado de gran masa. Puede producirse tras el choque de estrellas de neutrones, la explosión de una supernova, la formación de un agujero negro o provenir directamente de la radiación causada por el Big Bang. Si volvemos a nuestra balsa de agua, las ondas gravitacionales representarían las curvaturas causadas por un impacto en la superficie, que inevitablemente alteran el tejido del espacio. Estas fluctuaciones del espacio-tiempo se propagan a la velocidad de la luz por todo el universo, o sea a 300.000 kilómetros por segundo. El cambio de campo gravitatorio se propaga en forma de ondas electromagnéticas, que van disminuyendo su intensidad a medida que se alejan del epicentro del fenómeno que las ha causado. Si, por ejemplo, cerca de dónde tiramos la piedra se encuentra reposando un nenúfar, el impacto podría destruirle, cambiarle de lugar, mojar toda su superficie o quién sabe qué más. De la misma manera, eventos abruptos del universo pueden ocasionar “tormentas salvajes” en las proximidades de la fuente en las que se desprenden billones de veces más energía que las bombas atómicas.

Las ondas gravitacionales detectadas recientemente surgen de la colisión de dos agujeros negros que tuvo lugar hace 1.300 millones de años. Es por ello que se les ha asignado el nombre de GW150914, en el que GW corresponde a las siglas de ondas gravitatorias en inglés y a la fecha de su detección. Los investigadores de Ligo afirman que la colisión se produjo entre un agujero negro 29 veces más grande que el Sol y otro 36 veces mayor. El resultado de esta fusión ha derivado en un agujero negro que supera 62 veces la masa solar. Este fenómeno supone la demostración definitiva de la base teórica de la teoría de la relatividad de Einstein. Cuando en 1916 Albert Einstein elaboró su Teoría General de la Relatividad predijo que los cuerpos masivos liberan parte de su masa en forma de energía. Cabe recordar que Einstein consideró que la masa y la energía son dos principios equivalentes. La masa no es otra cosa que energía altamente concentrada, de aquí que un cuerpo que concentre altas cantidades de masa desprenda energía naturalmente. Sin embargo, cuando el físico elaboró su teoría creyó que jamás se llegarían a detectar ondas gravitacionales ya que a su llegada a la Tierra habrían prácticamente desaparecido.

El gran descubrimiento de siglo, por el cual muchos prevén el Nobel de física del año que viene, ha sido efectuado por LIGO (Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferometría láser en sus siglas en inglés). El observatorio se sitúa en Washington, donde se alza un majestuoso monumento a la observación del universo. Este instrumento consta de dos brazos de 4 km cada uno dispuestos en un ángulo de 90 grados, bajo tierra. Las ondas gravitacionales son rastreadas mediante el uso de “interferómetros láser masivos”. La primera detección se originó en septiembre del año pasado. Los científicos necesitaron comprobar que la señal había rebotado correctamente, cosa que se produjo 7.1 milisegundos más tarde.

La Agencia Espacial Europea (ESA) en colaboración con NASA inició un proyecto para la detección de ondas gravitacionales en el espacio, ya que se creía que era casi imposible captar este fenómeno con el ruido que rodea a la Tierra. Con el proyecto LISA (Laser Interferometer Space Antenna) las dos grandes agencias espaciales del mundo intentarán capturar definitivamente el eco de las ondas gravitacionales. El proyecto final consistirá en un conjunto de tres naves espaciales que viajarán por el espacio formando un triángulo equilátero. Entre ellas, cinco millones de kilómetros de separación. En éstas habrán herramientas para rastrear las unas a las otras y, además, captar las variaciones de ondas más mínimas, incluso del tamaño de un átomo. 

Una experiencia directa: Xisco Jiménez Forteza UIB Una experiencia directa: Xisco Jiménez Forteza UIB

Xisco Jiménez Forteza 

UNIVERSITAT DE LES ILLES BALEARS

··· Estudiante de doctorado sobre ondas gravitacionales

generadas por sistemas binarios compactos

 

¿En qué se trabaja en vuestro centro?

El trabajo del grupo de la UIB se centra en la búsqueda de ondas gravitacionales procedentes de agujeros negros y estrellas de neutrones, y el modelado computacional necesario para identificar dichas fuentes. Sus miembros han contribuido al software LIGO Scientific Collaboration Algorithm Library Suite y al proyecto de computación distribuida Einstein@home.

 

¿Cómo se ha contribuido a estos proyectos?

La UIB ha liderado diferentes búsquedas de señales continuas procedentes de púlsares desconocidos (estrellas de neutrones en rotación) en los seis periodos de observación de LIGO–inicial y GEO600, entre 2002 y 2010, y ha generado y utilizado simulaciones numéricas, mediante el uso de infraestructura computacional Europea (PRACE) y de la Red Española de Supercomputación, para crear sofisticados modelos analíticos de fusión de sistemas binarios de agujeros negros para ser usados en el análisis de los datos. El grupo de la UIB contribuye así a las actividades prioritarias marcadas en el libro blanco de análisis de datos de LIGO-Virgo.

 

¿Es prioritario seguir investigando en estos temas?

Por supuesto que sí, esta primera detección marca el inicio de la astronomía de ondas gravitacionales. Tenemos la oportunidad de observar el Universo de una forma absolutamente nueva en la que cada nueva detección ayudará a entender mejor desde cómo se crean y evolucionan los agujeros negros hasta cuál puede ser la ecuación de estado de estrellas de neutrones. Mientras antes ‘veíamos' el Universo ahora también lo podremos ‘escuchar’.

 

¿Qué ventajas se le podría sacar?

A nivel científico supone un empuje fuerte en términos de oportunidades refuerza la fe en los proyectos ya existentes (observatorios LIGO, Virgo) y reafirma a los futuros tales como por ejemplo LIGO India, KAGRA o Einstein Telescope. Por otra parte, para llevar a cabo esta investigación y tal como sucede en otros macroproyectos como este (CERN) se necesita de avances en ingeniería de hardware, software, materiales, láser, etc. cuyas aplicaciones son visibles en la vida diaria. 

Editorial Editorial

El universo siempre ha sido sinónimo de inmensidad, grandeza o majestuosidad. Ha sido el concepto perfecto para expresar todo aquello que no teníamos términos para comunicar. Cuantificamos lo incuantificable tomando como referencia aquello que nos asombra: la inmensa extensión del cosmos. Quizás sea por ello que el hombre siempre ha mirado a los astros con asombro, buscando más preguntas que respuestas.

En el Chāndogya Upanishad, uno de los textos sagrados del hinduísmo, se describe la creación del universo como un proceso entre lo místico y lo mágico: «En el origen, todo el universo no era más que no ser. Devino ser. Se desarrolló y se formó un huevo, el cual permaneció cerrado durante un año. Entonces se abrió. De las dos mitades de la cáscara, la una era de plata y la otra de oro». Igual que en la religión hindú, fueron muchas las civilizaciones que quedaron maravilladas ante la inmensidad del cosmos. En el simbolismo chino el universo constituye el tercer elemento entre el Yin y el Yang, y cohesiona la dualidad existente entre la luminosidad del primero y la oscuridad del segundo. De la misma manera, las estrellas, como símbolo de fulgor en la oscuridad, se han convertido en guías espirituales para el hombre. De hecho, el destino del hombre siempre ha parecido estar ligado a ellas. Fueron muchos los filósofos que, como Scheler, relacionaron el símbolo de mirarse al espejo como una forma de reflejar el universo en la existencia humana. El hombre universal representa aquel que forma parte del universo, con el que mantiene una conexión constante, mística y mágica.

Es curioso como aún formando parte del cosmos sepamos tan poco de éste. Más allá de símbolos y metáforas, el universo se nos presenta como una incógnita continua. Quizás sea por ello que nos fascina tanto. El reciente descubrimiento de las ondas gravitacionales ha producido la confirmación de algunas certezas, pero ha generado todavía más dudas. Por un lado, gracias al trabajo de centenares de investigadores de todo el mundo se ha conseguido confirmar una de las teorías más revolucionarias de Einstein. Pero por el otro, este nuevo enfoque del estudio del universo ha dejado al mundo boquiabierto, como si se tratara de n pequeño rayo de luz apuntando directamente al infinito. El camino que queda por hacer es largo, quizás tortuoso, pero por encima de cualquier otra cosa es imprevisible. El siguiente descubrimiento podría estar a la vuelta de la esquina. O quizás a millones de años luz de distancia, cerca de la estrella que indica nuestro destino.