El 11 de febrero pasado, en una conferencia de prensa precedida por rumores que adelantaban el aviso y hacían crecer la expectativa de la comunidad de físicos, cosmólogos y astrónomos, se anunció la primera detección de las ondas gravitacionales predichas por Einstein en 1916, un año después de la formulación de su Teoría General de la Relatividad. Un par de meses antes de que se cumplieran los 100 años de esta teoría, el experimento LIGO (por Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) cazó la primera señal directa de las ondas gravitacionales. El reporte del equipo de LIGO se publicó en Phys. Rev. Lett. 116, 061102 (2016).
El reporte es un texto impecable de argumentación para convencer al lector de la realidad de que la señal observada en ambos instrumentos de LIGO corresponde precisamente a la radiación gravitacional emitida al fundirse dos agujeros negros de masas de decenas de veces la masa del sol, orbitando uno alrededor del otro, demostrando así la existencia de este tipo de sistemas binarios.
La idea de la realidad de las ondas gravitacionales y de las propuestas para detectar esta radiación, tiene un precedente histórico fundamental en occidente que puede ubicarse en las discusiones de la Chapel Hill Conference, realizada en 1957, en la Universidad de Carolina del Norte, Estados Unidos. En esta conferencia destacan las contribuciones del trabajo teórico de Felix Pirani. Otro de los participantes en la conferencia, Joseph Weber, emprendería a partir de este encuentro la construcción de un detector de ondas gravitacionales cuyos resultados le llevaron a concluir, en un artículo enviado en 1969 a la revista Physical Review Letters, que había descubierto las ondas gravitacionales. Sin embargo, aunque la ausencia de la confirmación de este resultado por parte de otros grupos experimentales, llevó a la conclusión de que la detección anunciada era incorrecta, la búsqueda de las ondas gravitacionales y la construcción de dispositivos para detectarlas, tuvo un pico de actividad durante esta época.
El uso de un interferómetro como instrumento principal para construir un detector de ondas gravitacionales se asocia a Rainer Weiss, profesor en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), quien, aunque no estuvo presente en Chapel Hill, tuvo acceso al trabajo de Pirani, cuando al preparar un curso de Relatividad General, se preguntó cuáles aspectos de esta teoría podían medirse. En 1972, en un reporte interno de 15 páginas, Weiss presentó la física necesaria para describir las ondas gravitacionales y un análisis completo de todas las fuentes de ruido con las que la débil señal de la radiación gravitacional tendría que competir para ser detectada en un interferómetro. En un sentido, este reporte constituiría un programa de acciones que precederían el surgimiento de LIGO.
En esta figura, los dos paneles superiores de la imagen muestran las señales detectadas por los dos interferómetros de LIGO, el primero corresponde al sitio de Louisiana y el segundo al de Washington. Las líneas gruesas son las observaciones y las líneas delgadas que se les superponen son las predicciones teóricas de acuerdo con las ecuaciones de Einstein de la Relatividad General. En el panel inferior, se superponen las dos observaciones para mostrar que corresponden a la misma señal. La conclusión evidente es que las señales detectadas por ambos interferómetros corresponden al mismo evento de fusión de dos agujeros negros y que las ecuaciones de Einstein son una descripción precisa de la física del evento. En el eje x está representado el tiempo, y en el eje y la distorsión, (strain) sufrida por el espacio como consecuencia de la presencia de las ondas gravitacionales (de www.ligo.caltech.edu/image/ligo20160211a).
El instrumento
El interferómetro es un instrumento óptico formado típicamente por dos brazos perpendiculares con espejos en sus extremos que reflejan la luz que viaja a lo largo de los brazos y que proviene inicialmente de una misma fuente. Al regresar a su punto de partida, ambos haces luminosos se superponen generando una imagen cuyas características dependen muy sensiblemente de la diferencia en el camino óptico recorrido por cada rayo de luz, particularmente la diferencia en las longitudes de los brazos. Un caso célebre del uso de este dispositivo en la física es el experimento de Michelson-Morley que en el año de 1887 intentó responder a la pregunta sobre la existencia del éter como el medio en el que las ondas electromagnéticas se propagaban. El resultado nulo de este experimento, refrendó el carácter único de la luz y llegó a ser uno de los pilares experimentales de la Teoría de la Relatividad Especial de Einstein. En su funcionamiento básico, éste es el mismo dispositivo que constituye el corazón de los observatorios de ondas gravitacionales. En su edición actual, en la que se potencia la sensibilidad del instrumento para lograr escuchar una señal bajísima suprimida y mimetizada por otras, el efecto buscado es el alargamiento y la contracción de los brazos del interferómetro ocasionados por la presencia de las ondas gravitacionales al ser éstas una perturbación del espacio mismo. Este efecto deberá reflejarse entonces en cambios producidos en la imagen obtenida después de hacer interferir las señales luminosas provenientes de ambos brazos.
Detectar las ondas gravitacionales y su origen no es una tarea fácil. Se estima que el tamaño del efecto de la señal buscada en la separación entre dos objetos es de una parte en 10^21. Es decir, la distancia entre Mérida y Tijuana variaría por una cantidad tan pequeña como el tamaño de un protón (10^-15m). Esto nos da una idea de la precisión requerida para detectar las ondas gravitacionales. Efectivamente, ha sido una tarea titánica llegar a construir un dispositivo que alcance tal precisión. Por mucho tiempo, esta fue una de las razones por las cuales se pensó que era imposible determinar la existencia de estas ondas. Recientemente LIGO tuvo un incremento importante en su sensibilidad y fue precisamente a los pocos días de estar operando con este nuevo alcance que, en septiembre del año pasado, detectó la señal ahora famosa y que recibió el nombre de GW 150914.
El origen
El origen de esta señal puede trazarse con mucha confianza a partir de las características físicas de la señal observada. Tal es la precisión que posee el detector y la claridad de una teoría como la Relatividad General que, junto con el avance actual de los cálculos numéricos, permiten descifrar la naturaleza del pulso observado por LIGO. En este sentido, dado que las ondas gravitacionales se pueden producir por el movimiento de las masas en el espacio, los objetos compactos y masivos, como las estrellas de neutrones y los agujeros negros, son potencialmente fuentes importantes de ondas gravitacionales. Los llamados sistemas binarios, formados por dos objetos compactos ligados gravitacionalmente entre sí y cuyas masas son del orden de varias veces la masa de el sol, nuestra estrella, constituyen un precedente notable en la búsqueda de las ondas gravitacionales. La presencia de un segundo cuerpo en este tipo de sistemas genera condiciones dinámicas favorables para la producción de ondas gravitacionales.
Precisamente, un sistema de este tipo descubierto por Hulse y Taylor en la década de los 70s (descubrimiento que les valió el Premio Nobel en 1993), ha sido considerado la mejor evidencia indirecta de la existencia de las ondas gravitacionales, la cual se infiere a partir de la pérdida de energía del sistema binario, evidente en la disminución de su período orbital y su separación.
De acuerdo con el equipo científico de LIGO, la señal detectada corresponde a un sistema formado por dos agujeros negros de masas de 36 y 29 veces la masa del sol respectivamente, que giran sobre sus ejes y orbitan alrededor uno del otro y que como consecuencia de esta dinámica llegan a un estado final en el que ambos se fusionan para convertirse en un solo agujero negro de masa igual a 62 veces la del sol, explicando la pérdida de masa como la energía correspondiente a la radiación gravitacional producida por la dinámica de este sistema. Al llegar a su estado final, la emisión de ondas gravitacionales se atenúa notablemente. Esta descripción corresponde precisamente a la forma del pulso observado en los detectores de LIGO.
Las consecuencias
La hazaña de LIGO impulsará de manera significativa el desarrollo y el refinamiento de esta clase de observatorios que a la fecha suman cinco: LIGO (con un par de sitios en Estados Unidos), VIRGO (en Italia), GEO600 (en Alemania) y KAGRA (en Japón). De éstos, LIGO es el detector de mayores dimensiones (los brazos del interferómetro miden 4 km de longitud) y el único que detectó, en sus dos sitios (uno en Washington y otro en Louisiana), la onda gravitacional reportada. La escala de los observatorios de ondas gravitacionales proyectados para el futuro pisa el terreno de lo fantástico, el caso de eLISA (Laser Interferometer Space Antenna, por sus siglas), proyecto de ESA (la Agencia Espacial Europea), rebasa la imaginación más vívida: un interferómetro en el espacio con brazos de un millón de kilómetros de longitud.
La captura de esta señal en los interferómetros de LIGO, muestra por primera vez la existencia de sistemas binarios de agujeros negros, y constituye la primera detección directa de las ondas gravitacionales y la primera observación de la fusión de dos agujeros negros. Esto en sí mismo es ya una hazaña científica de gran envergadura. Adicionalmente se abre una ventana de investigación sobre el cosmos utilizando a las ondas gravitacionales como campo de prueba en el que el universo ha dejado su huella y nos cuenta parte de su historia.
La imagen recrea el evento de fusión de dos agujeros negros. La señal observada por LIGO corresponde a lo ocurrido en una fracción del último segundo de una colisión de este tipo hace 1,300 millones de años y que produjo la emisión de ondas gravitacionales detectadas por los dos interferómetros de LIGO. Una parte de la masa total se convertirá en la energía de las ondas gravitacionales radiadas. Después de la colisión, el sistema se funde en un solo agujero negro.
A partir de este evento, se da un giro a la manera tradicional de observar el universo a través de señales electromagnéticas que nos permiten verlo mediante los fotones que llegan a nuestros detectores y se inicia una nueva aproximación a la observación del cosmos: escuchar sus sonidos gravitacionales. Se espera que esta primera detección inaugure una línea de investigación que nos permita entender fenómenos sólo accesibles a través de este tipo de señales y poner a prueba los aspectos de nuestras teorías físicas relacionados con la presencia de las ondas gravitacionales.
GW 150914 es el primero en su clase, pero le siguen muchos más. Hay noticias de que LIGO habría detectado ya un segundo evento de ondas gravitacionales y expectativas de una actividad intensa de detección en el futuro inmediato.
Las implicaciones astrofísicas y cosmológicas son de primera importancia. GW 150914 constituye una promesa que ha generado grandes esperanzas al interior de la comunidad científica internacional sobre la posibilidad de entender mejor nuestro universo y seguirle planteando preguntas fundamentales.
El lector interesado podrá encontrar una descripción física formal de los objetos compactos masivos y la búsqueda de ondas gravitacionales en el libro de Shapiro y Teukolsky: Black Holes, White Dwarfs and Neutron Stars, editado por Wiley-VCH, 2004.
El hecho de que el rango de frecuencias de la señal gravitacional detectada corresponda a frecuencias de las ondas de sonido que nuestro oído puede escuchar, permite convertir estas ondas gravitacionales en ondas de sonido. El sonido de las ondas gravitacionales GW 150914 provenientes de la colisión de dos agujeros negros puede escucharse en:www.ligo.caltech.edu/video/ligo20160211v2.
Saber más
Sitios electrónicos que contienen la información del Observatorio LIGO
Berti E. 2016. Viewpoint: The First Sounds of Merging Black Holes. Physics, 9:17.
http://physics.aps.org/articles/v9/17?utm_source=email&utm_medium=email&utm_campaign=prl-ligo-2016
Saulson P.R. 2011. Discusión de la relevancia de la Conferencia de Chapel Hill para la detección de las ondas gravitacionales. Gen. Relativ. Gravit. 43, 3289 (2011).
Hulse R.A. y Taylor J.H. 1975. Descubrimiento del pulsar binario. Astrophys. J. 195, L51.
Egresado de la Escuela Superior de Física y Matemáticas del Instituto Politécnico Nacional (ESFM-IPN), con estudios de Doctorado en Ciencias en el Centre for Particle Theory, de la Universidad de Durham, Inglaterra. Fue profesor en la ESFM-IPN y actualmente es profesor del Instituto de Física y Matemáticas de la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo. Sus principales investigaciones se centran en la cosmología y en la física de partículas.