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Einstein tenía razón: Cien años después, logran detectar las ondas gravitacionales

Las ondas gravitacionales son misteriosas ondulaciones en el tejido del espacio-tiempo, que viajan a través de nuestro Universo a la velocidad de la luz. Predichas por Einstein hace exactamente 100 años, varios experimentos intentaron observarlas en las últimas décadas. Luego de semanas de rumores, los científicos del experimento LIGO anunciaron hoy oficialmente la detección de ondas gravitacionales provenientes de la fusión de dos agujeros negros.

Las ondas gravitacionales son generadas durante eventos astrofísicos violentos que involucran objetos masivos y compactos, como estrellas de neutrones y agujeros negros que colisionan entre sí. Si bien estos eventos son cataclísmicos, se encuentran tan lejos de nosotros que sus efectos en el espacio-tiempo que nos rodea son extremadamente sutiles. Por esta razón, los científicos han tenido que construir enormes detectores ópticos sumamente sensibles, llamados interferómetros láser, para intentar detectarlas.

El experimento LIGO (Laser Interferometric Gravitational-Wave Observatory, u Observatorio Interferométrico Láser de Ondas Gravitacionales) es el interferómetro láser más grande del mundo, y desde hace más de una década lleva adelante un experimento con más de 1.000 científicos de 86 instituciones internacionales, que trabajan manteniendo el instrumento y analizando los datos que produce.

LIGO intenta detectar las ondas gravitacionales monitoreando perturbaciones en los rayos láser que recorren los túneles de 4 kilómetros de largo de dos observatorios gemelos, construidos en Livingston, Louisiana y Hanford, Washington. Al contar con dos detectores en paralelo, los científicos pueden identificar falsas detecciones positivas producidas por efectos locales, como pequeños movimientos sísmicos y fallas del instrumental.

Antes de sellar la cámara y encender las bombas de vacío, un técnico inspecciona una de las ópticas principales del detector LIGO, un espejo, iluminando su superficie a un cierto ángulo. Es fundamental que no haya contaminación en ninguna de las superficies ópticas del instrumento para la operación de LIGO. Créditos de la imagen: LIGO / Caltech / MIT.
Antes de sellar la cámara y encender las bombas de vacío, un técnico inspecciona una de las ópticas principales del detector LIGO, un espejo, iluminando su superficie a un cierto ángulo. Es fundamental que no haya contaminación en ninguna de las superficies ópticas del instrumento para la operación de LIGO. Créditos de la imagen: LIGO / Caltech / MIT.

Hace apenas una semana, un espectacular rumor comenzó a extenderse por las redes sociales: LIGO habría detectado ondas gravitacionales provenientes de la fusión de dos agujeros negros de 36 y 29 masas solares, un evento que habría formado un agujero negro único de 62 masas solares. Las ondas gravitacionales habrían sido detectadas con un nivel de confianza de 5,1 sigmas; esto significa que las probabilidades de que se trate de una detección espúrea son menores a una en 3,5 millones.

Según el rumor, la velocidad orbital de los dos agujeros negros fundiéndose en uno habría sido medida como prácticamente igual a la velocidad de la luz, y se habría observado el fenómeno conocido como “ringdown”: inmediatamente después de que ambos agujeros negros se funden en uno, el cuerpo resultante todavía no tiene la forma geométrica perfecta descripta por la solución estática a las ecuaciones de Einstein, y por lo tanto se encuentra desequilibrado. El agujero negro finalmente alcanza el equilibrio definitivo mediante una última ráfaga de ondas gravitacionales.

El resultado de la fusión sería un agujero negro de Kerr, es decir, que posee un momento angular que lo hace girar sobre su eje. Esto sería esperable dado que los agujeros negros progenitores orbitaban alrededor de un centro de gravedad común hasta el instante en que se fundieron. Otros datos adicionales resultan más sorprendentes: la masa sumada de ambos agujeros (36 y 29 veces la del Sol) debería ser 65 masas solares, pero sólo llega a 62 porque la fusión de ambos habría liberado 3 masas solares de energía en forma de ondas gravitacionales, a partir de la famosa ecuación E=mc2, en apenas una fracción de segundo. En ese momento, ambos agujeros negros orbitaban entre sí más de 300 veces por segundo, prácticamente a la velocidad de la luz.

En una conferencia de prensa el día de hoy, los responsables del proyecto LIGO confirmaron que las ondas gravitacionales fueron detectadas el lunes 14 de septiembre de 2015 a las 9:51 (TU) por los detectores de Livingston y Hanford. Además de dar por ciertas las masas respectivas de los agujeros negros involucrados en la fusión, los científicos estiman que el evento tuvo lugar hace 1.300 millones de años. Por otro lado, dado que el detector de Livingston detectó el evento unos 7 milisegundos antes que el de Hanford, la fuente de las ondas gravitacionales estaba ubicada en algún punto del hemisferio sur celeste.

Este mapa del hemisferio sur celeste muestra la ubicación aproximada de la fuente de ondas gravitacionales detectadas el 14 de septiembre de 2015 por los detectores gemelos del experimento LIGO. Las líneas de colores indican diferentes probabilidades para el origen de la señal: la línea púrpura define la región desde donde se supone que vino la señal con un 90% de certeza; la línea amarilla indica un 10%. Créditos de la imagen: LIGO / Caltech / MIT.
Este mapa del hemisferio sur celeste muestra la ubicación aproximada de la fuente de ondas gravitacionales detectadas el 14 de septiembre de 2015 por los detectores gemelos del experimento LIGO. Las líneas de colores indican diferentes probabilidades para el origen de la señal: la línea púrpura define la región desde donde se supone que vino la señal con un 90% de certeza; la línea amarilla indica un 10%. Créditos de la imagen: LIGO / Caltech / MIT.

Una de las consecuencias más importantes de la detección es la confirmación definitiva de la existencia de los agujeros negros en la forma predicha por la relatividad general de Einstein. Pero esa es apenas una de las facetas del descubrimiento.

En 1987 uno de los mayores expertos mundiales en relatividad general, el astrofísico Kip Thorne, decía: “Si las ondas gravitacionales pueden ser detectadas y estudiadas, causarán una revolución en nuestra visión del universo comparable o incluso superior a la que resultó del descubrimiento de las ondas de radio”. De la misma forma en que el inicio de la observación del universo en las longitudes de onda de la radio nos llevó al descubrimiento de radiogalaxias, cuásares y agujeros negros, la confirmación del descubrimiento de LIGO marca el inicio de una era en la que los astrónomos podrán usar tanto la radiación electromagnética como las ondas gravitacionales para observar el cosmos.

Un largo y arduo camino hasta la detección directa de ondas gravitacionales

En 1974, los astrónomos Russell Hulse y Joseph Taylor descubrieron un púlsar binario, es decir, un par de estrellas enanas blancas que giran rápidamente sobre su eje emitiendo pulsos de ondas de radio. Hulse y Taylor detectaron que los dos púlsares estaban perdiendo energía y cayendo lentamente en espiral, acercándose entre sí de una manera consistente con las ecuaciones de la relatividad general de Einstein. Dado que la teoría predecía que la energía faltante era disipada como ondas gravitacionales, el descubrimiento les valió a ambos el premio Nobel de física en 1993.

En 2014, el equipo científico del telescopio BICEP2 anunció que habían detectado señales de la presencia de ondas gravitacionales primordiales, supuestamente producidas por el Big Bang. Sin embargo, los astrónomos tuvieron que dar marcha atrás más tarde, cuando tras un extenso análisis se confirmó que el experimento no había tomado en cuenta los efectos del polvo y los campos magnéticos de nuestra galaxia.

Periodista y divulgador científico nacido en Argentina. Amante de la astronomía, fundó Astronomía Online y es su editor desde el año 2002.