Nobel de Física para el descubrimiento de ondas gravitacionales predichas por Einstein

La Real Academia de las Ciencias de Suecia anunció este 3 de octubre que otorgará el premio Nobel de Física a Reiner Weiss, Barry Barish y Kip Thorne, los tres científicos que detectaron las ondas gravitacionales, uno de las fuerzas más fundamentales y misteriosas que se mueven a través del universo.

Hace cien años Albert Einstein postuló la existencia de ondas gravitacionales, basándose en su teoría de relatividad general, que interpreta la gravedad como una consecuencia de la curvatura que la presencia de materia ocasiona en el espacio-tiempo. Einstein argumentó que ciertos eventos en el cosmos causan cambios en esta curvatura y se propagan por el espacio a la velocidad de la luz en forma de ondas.

Las ondas gravitacionales fueron observadas por primera vez en septiembre de 2015, abriendo la puerta, en palabras de la Academia, “a una revolución en la astrofísica, proporcionando una forma completamente novedosa de observar los eventos más violentos que han ocurrido en el espacio y prometiendo extender los límites de nuestro conocimiento”.

Erick Tuirán, profesor de Física de la Universidad del Norte, explicó que aunque el fenómeno de ondas gravitacionales ya se había estudiado de manera indirecta, no había sido posible observarlo directamente dado el efecto tan minúsculo que producen las ondas en la Tierra, que a su vez podría confundirse con cualquier tipo de vibración en el planeta.

Las emisiones de ondas gravitacionales pueden provenir, entre otras fuentes, de la colisión de dos estrellas de neutrones o dos agujeros negros masivos. Incluso pueden proceder de los restos de radiación gravitacional creados por el nacimiento del universo.

"En el caso de las ondas gravitacionales detectadas, estas provienen de la coalescencia de dos agujeros negros, cada uno del orden de 30 masas solares. Justo en el momento que chocan, finalmente, hay un chasquido. Imagínense algo similar a dos gotas cuando entran en contacto y por la tensión superficial se genera una oscilación", indicó el profesor Tuirán.

A estas ondas les tomó 1300 millones de años llegar al detector LIGO (Observatorio del Interferómetro Laser de Ondas Gravitacionales, por sus siglas en inglés), proyecto que agrupa a más de mil investigadores en veinte países, también llamado por la Academia Sueca “el instrumento más sensible diseñado por el hombre”. Aunque la señal de las ondas era muy débil al alcanzar la Tierra, el físico afirma que la energía liberada por el choque de los dos agujeros negros "fue del orden de toda la energía lumínica que estamos detectando que viene del universo".

La detección

El sistema conocido como interferómetro se comenzó a desarrollar en la década de 1960. Este emite un rayo láser que se divide y se recombina después de viajar por dos brazos extensos, una técnica extremadamente sensible a los cambios más pequeños en la distancia que le toma a los rayos viajar por los brazos.

Cuando una onda gravitacional atraviesa el interferómetro el espacio-tiempo del área se altera, lo que resulta en el cambio de la longitud de uno o ambos brazos, hecho que ocasiona que los rayos laser se desfasen entre sí. Un interferómetro puede ser capaz de revelar un cambio en el espacio-tiempo de una fracción del tamaño de un protón, efecto que es imperceptible para cualquier otro instrumento o cualquier persona.

LIGO opera dos interferómetros localizados a 3000 kilómetros de distancia entre sí, en Livingston, Louisiana y Hanford, Washington (EE.UU). Esto es necesario, pues la onda gravitacional puede atravesar los Estados Unidos en 10 milisegundos y puede ser detectada en ambos interferómetros, a diferencia de cualquier otro tipo de perturbación, lo que permite distinguir la señal esperada de cualquier ruido.

Cada uno de los brazos del interferómetro tiene cuatro kilómetros perfectamente medidos y calibrados que forman un ángulo recto. Es la precisión requerida para este tipo de experimentos, pues el instrumento puede medir una compresión o elongación en sus brazos en el orden de 1/10.000 del núcleo de un átomo. Las ondas que emitió la coalescencia de agujeros negros supermasivos de 29 y 36 masas solares, a 1300 millones de años luz de la Tierra, alcanzaron nuestro planeta como una ondulación en el espacio-tiempo que modificó la longitud de uno de los brazos del LIGO a una milésima parte del ancho de un protón.

De esta manera Reiner Weiss y Kip Throne, pioneros del proyecto, junto con Barry Barish, científico líder que llevó el mismo a feliz término, garantizaron que cinco décadas de esfuerzo culminaran en que las ondas gravitacionales finalmente fueran observadas. Este trabajo comprueba la última teoría de Einstein no probada, una que él nunca concibió que algún día pudiera demostrarse.

Desde 2007, LIGO ha colaborado con el interferómetro Virgo, localizado cerca de Pisa, Italia. Luego de una segunda detección de señales de ondas gravitacionales en diciembre de 2015, en Hanford, los tres interferómetros detectaron por primera vez una señal de manera conjunta en agosto de 2017.

Alcances de este hallazgo

De acuerdo con el profesor Erick Tuirán, la detección de ondas gravitacionales es uno de los descubrimientos más grandes de este siglo, cuya importancia rivaliza la de otros hallazgos trascendentales como el Bosón de Higgs.

“Las posibilidades son tremendas. Ya hemos empezado a descubrir cosas interesantes. Así como cuando Galileo dirigió su primer telescopio hacia el cielo y descubrió las manchas solares y los cráteres de la luna, las ondas gravitacionales son una nueva ventana que nos permitirá detectar objetos mucho más masivos de los que se habían encontrado y otros fenómenos que no se habían podido detectar en el pasado”, sostuvo el académico.

Algunos científicos han equiparado las ondas gravitacionales con una especie de máquina del tiempo, por su habilidad de permitirnos mirar hacia los momentos formativos y más desconocidos en el pasado del universo. Tuirán explica que esto se debe a que, a medida que se observan fenómenos más lejanos, estos son más remotos en el tiempo. “Lo que vemos ahora es porque se demoró millones de años en viajar, ya sea la luz o las ondas gravitacionales. Por eso los científicos se toman la tarea de buscar detectores cada vez más sensibles de manera que se puedan observar procesos más remotos”, dijo el profesor.

Con estas observaciones, dice Tuirán, se pueden mirar eventos muy cercanos a la creación del universo. “Tomemos el ejemplo de los cuásares, que son núcleos altamente energéticos, pero ocurrieron tan lejos que pueden brindar información de cómo se formaron las galaxias. Hay una gran probabilidad de que con la detección de las ondas gravitacionales, podamos observar la información que nos da el universo de otra manera”, concluyó el profesor.

Por Andrés Martínez Zalamaea