Qué buena onda

Hace mucho tiempo, en una galaxia muy, muy lejana, a 1300 millones de años luz en dirección de la constelación del Pez Volador, dos agujeros negros, de 36 y 29 masas solares, en órbita mutua, terminaron cayendo uno sobre el otro formando un nuevo agujero negro, de 62 masas solares. El colosal choque, a la mitad de la velocidad de la luz, produjo un tremendo sacudón en el espacio-tiempo que se llevó hacia afuera, en forma de ondas gravitacionales, las 3 masas solares restantes convertidas en energía en una fracción de segundo, con un pico de potencia equivalente a 50 veces el brillo de todas las estrellas del universo. Todo el evento duró menos de medio segundo.

Mil trescientos millones de años después, el 14 de septiembre de 2015, la onda gravitacional pasó por la Tierra. Y el Observatorio LIGO la detectó. Casi 100 años después de que Einstein, en junio de 1916, predijera que las distorsiones gravitatorias en el espacio-tiempo debían propagarse en forma de ondas a la velocidad de la luz.

De todas las predicciones de la Relatividad General, la existencia de ondas gravitacionales pareció desde el principio demasiado difícil de verificar. Por un lado está la cuestión de que la ecuación de ondas surge como una simplificación de las ecuaciones completas del campo gravitatorio. Por otro lado, los cálculos de su intensidad daban valores tan pequeños que los obstáculos tecnológicos para detectarlas parecían insuperables.

Durante 40 años, de todos modos, un grupo de físicos desarrollaron los instrumentos necesarios. Hace 25 años sus esfuerzos se condensaron en el observatorio LIGO, cuyas primeras dos décadas fueron infructuosas a sabiendas, pero que sirvieron para convertirlo en Advanced LIGO, el observatorio actual. En septiembre de 2015 lo encendieron, todo andaba bien, y antes de que dijeran "¡Ya!" para empezar a medir oficialmente, el universo les regaló una señal nítida: la fusión de los dos agujeros negros que contamos, exactamente tal como los cálculos teóricos predecían. En la conferencia de prensa del jueves, me parece, no hicieron suficiente hincapié en la extraordinaria exactitud del ajuste de la curva teórica:

¿Cómo lo hicieron? En una simpática vuelta de tuerca, el mismo instrumento ha jugado un rol crucial en el comienzo y el final de la centenaria historia de la Relatividad. LIGO es un interferómetro de Michelson. Albert Michelson lo inventó en la década de 1870 para medir la velocidad de la luz, y en un famoso experimento en colaboración con Edward Morley intentaron medir con él la velocidad de la Tierra con respecto al éter que, se conjeturaba, era el medio en el que se propagaba la luz. El resultado negativo de su experimento fue una de las claves para que Einstein propusiera, en 1905, que la velocidad de la luz es siempre la misma, independiente del movimiento de la fuente o del observador. A partir de este postulado formuló la Teoría de la Relatividad Especial. Diez años y mucho rompedero de cabeza después revolucionó la Física con la Relatividad General, de la que ya hemos hablado.

Cien años después otro interferómetro de Michelson, dos mejor dicho, que forman en conjunto el Observatorio LIGO, sirvió para consagrar una vez más la extraordinaria teoría. La precisión de la medición es pasmosa. LIGO tiene dos brazos formando una L, de 4 km de largo (el aparato de Michelson medía un metro). Un láser se propaga incesantemente desde el vértice hasta los extremos, donde hay unos espejos que lo mandan de vuelta. Combinando la luz de los dos brazos se puede medir su longitud, o mejor dicho la diferencia de sus longitudes, que resulta perturbada cuando la distorsión del espacio-tiempo lo atraviesa. ¿Con cuánta precisión se mide esta longitud? No hay manera fácilmente entendible de decirlo: en los cuatro kilómetros del instrumento, es una precisión de un milésimo del tamaño de un protón. Usando una analogía astronómica, es como medir la distancia a Alfa Centauri con la precisión de un cabello humano.

Quiero agregar que una de las principales científicas de este extraordinario instrumento, hoy en día su spokesperson, y que el jueves integró el panel del anuncio, es Gaby González, física argentina del FAMAF de Córdoba. Todos los físicos argentinos estamos muy contentos por ella.

¿Qué ocurrirá ahora? Las ondas gravitacionales se convertirán en una nueva ventana de observación astronómica. LIGO no ha alcanzado todavía su sensibilidad máxima prevista, y existen otros instrumentos similares en construcción o proyectados, en tierra y en el espacio. Un enorme rango de fenómenos astronómicos, hoy en día conjeturados, podrán ser observados directamente: colapsos de agujeros negros como éste, así como de sistemas binarios de estrellas de neutrones y de enanas blancas, detonaciones de núcleos de supernovas, y quién sabe qué más. Cada vez que se ha diseñado un nuevo instrumento para observar una nueva región del espectro electromagnético se descubrieron nuevos fenómenos. Las ondas gravitacionales son directamente todo un nuevo espectro para explorar.

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Visiten la galería de imágenes y videos de LIGO, de donde saqué las imágenes: https://www.ligo.caltech.edu/gallery.
La figura de la señal de LIGO es del artículo aparecido el jueves: Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger, BP Abbott et al. Phys. Rev. Lett. 116, 061102 (2016) (gratis).
Mencioné las dudas iniciales, inclusive del propio Einstein, de que las ondas gravitacionales exisitieran. Esa duda desapareció en la década de 1970, cuando se observó el decaimiento de la órbita de un púlsar binario, en completo acuerdo con la radiación gravitacional de la relatividad general. Hulse y Taylor ganaron en 1993 el Premio Nobel de Física por su descubrimiento e interpretación. Hasta hoy, de todos modos, las ondas gravitacionales nunca habían sido observadas directamente, con una "antena", por decirlo análogamente a las electromagnéticas.