Previously on «cien años de curiosidad»:

El objetivo del experimento BICEP2 fue detectar ondas gravitacionales primordiales (es decir, generadas en los primeros instantes del universo). Para ello investigó los patrones de polarización del fondo cósmico de microondas.

Tras varios años de búsqueda, sus resultados (y los de los proyectos con los cuales colaboraba) avalaron su detección con un 92% de certeza. (Un valor demasiado bajo para los estándares de la ciencia).

Afortunadamente, las ondas gravitacionales primordiales (también llamadas «estocásticas») no son el único tipo de onda gravitacional que se conoce, lo cual ha dado pie a otros intentos de detección.

 

colisión de agujeros negros
Recreación artística de una sistema binario de agujeros negros a punto de colisionar.

 

Capítulo dieciocho: la soledad de los sistemas binarios

Los trabajos de Hulse y Taylor, en la década del setenta, ya inferían la existencia de ondas gravitacionales provenientes de sistemas binarios de estrellas de neutrones. Y sus conclusiones pueden extrapolarse fácilmente tanto a los sistemas binarios de agujeros negros como a los mixtos. A las ondas gravitacionales generadas por estos sistemas se las denomina «continuas» porque siguen un patrón continuo, relacionado con sus órbitas.

El problema con este tipo de ondas gravitacionales es que, incluso empleando la tecnología actual, su intensidad sigue siendo muy débil para ser detectada.

Sin embargo, a diferencia de los números primos, estos amantes lacrimógenos sí que están condenados a encontrarse.

En las etapas finales de todo sistema binario, las órbitas de sus componentes decaen. Y al tiempo que sus distancias orbitales se acortan, sus velocidades de traslación aumentan; lo cual redunda en un aumento notorio tanto de la frecuencia como de la intensidad de las ondas gravitacionales emitidas.

¿Y qué ocurre después? ¿Consiguen por fin abrazarse?

En efecto: tanta languidez emocional, tanta contención inexplicable acumulada durante eones estalla en una explosión catártica cuando al fin sus dos almas se funden en una…

(Creo que voy a pasarme a la novela romántica).

Lo interesante es que existen modelos teóricos que predicen (con relativa precisión) el tipo de ondas gravitacionales que estas fusiones podrían generar. Son las llamadas «ondas gravitacionales explosivas»; las que nos llegan con mayor intensidad (dentro del rango de debilidad intrínseca a las ondas gravitacionales), pero también las más imprevisibles. Que nos lleguen o no depende (en gran medida) del azar. Sin embargo, ese fue el tipo de ondas gravitacionales que el interferómetro LIGO detectó en 2015.

 

Capítulo diecinueve: interfe… ¿qué?

Para explicar qué es un interferómetro, lo mejor es empezar por analizar su base teórica y luego ver de qué modo se ha llevado a la práctica.

Pensemos en una onda, con sus valles y sus crestas. Ahora pensemos en dos ondas con la misma frecuencia. Y ahora pensemos que se superponen.

Cuando esto ocurre, se generan «patrones de interferencia» que dependerán de la diferencia de fase entre las ondas. Si las dos se superponen sin desfasarse (es decir, si sus crestas y sus valles «coinciden») se producirá una interferencia constructiva que dará lugar a una onda con la misma frecuencia, pero mayor intensidad. Si, por el contrario, los valles de una «coinciden» con las crestas de la otra, se producirá una interferencia destructiva que anulará la onda.

Obviamente, entre el desfase de cero grados del primer ejemplo y el desfase de ciento ochenta grados del segundo, existe una gran variedad de interferencias intermedias. La interferometría es la técnica a través de la cual se extrae información de estos fenómenos.

El observatorio ALMA, por poner un ejemplo, la emplea para generar una imagen coherente y de asombrosa resolución del sector del cielo que esté estudiando, partiendo de las ondas captadas por las cincuenta antenas de su conjunto principal.

Pero el interferómetro que logró detectar las ondas gravitacionales es un poco distinto.

 

interferómetro LIGO
Esquema de funcionamiento del interferómetro láser expuesto en el artículo «Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger», con el que LIGO dio a conocer sus resultados a la comunidad científica.

 

Capítulo veinte: la regla más cara del mundo

En última instancia —empleando el símil de Marco Cavaglià, astrónomo de la Universidad de Mississippi— LIGO es una regla gigante.

Pero ¿cómo funciona?

Empecemos por su nombre: LIGO es el acrónimo de «Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory», es decir, «observatorio de ondas gravitacionales por interferometría laser».

Y dado que ya sabemos qué es la inerferometría, la pregunta que debemos hacernos es, ¿cómo puede emplearse para detectar ondas gravitacionales?

Imaginemos que tenemos un haz de luz coherente; es decir, un haz formado por ondas luminosas de la misma frecuencia y en una relación de fase constante. Y ahora imaginemos que ese haz de luz se divide, en cierto punto, en dos haces perpendiculares.

Pensemos en esos haces. Imaginemos que recorren cierta distancia, rebotan en un espejo y vuelven al mismo punto. Al llegar a ese punto se superpondrán generando una interferencia.

Ahora supongamos que el experimento está dispuesto de tal modo que, al retornar al punto de encuentro, los dos haces tengan un desfasaje de ciento ochenta grados. Como vimos en el apartado anterior, lo que ocurrirá es que su interferencia será destructiva y la onda se anulará.

Si la distancia que recorren ambos haces permanece constante la onda seguirá anulándose, pero bastará con que se produzca una mínima variación en la distancia recorrida (que el tramo se alargue o se contraiga), para que la diferencia de fase entre ambos rayos varíe y empiecen a detectarse patrones de interferencia.

Es una forma muy cara pero muy precisa de medir variaciones de distancia.

 

Capítulo veintiuno: L de LIGO

En la práctica, ese experimento mental se traduce en una instalación de varios kilómetros: LIGO es una gigantesca L —de cuatro mil metros de lado— por la que se pasean los haces de luz.

El haz de luz coherente del que te hablaba es emitido por un láser y, tras ser dividido por un componente óptico, ingresa en dos brazos ortogonales (los túneles de cuatro kilómetros). Allí, un par de espejos los hacen ir y venir unas 280 veces antes de permitirles regresar al punto de encuentro. Como expliqué más arriba, los haces que regresan presentan un desfase de ciento ochenta grados por lo que, al coincidir, su interferencia negativa anula la onda.

Desde el nodo de interferencia, el haz resultante (en caso de existir) es enviado a un fotodiodo. Es este fotodiodo el que registra cualquier posible variación y la traduce en una variación de distancia en el largo de los brazos.

¿Por qué?

Porque, dado que las ondas gravitacionales son ondulaciones en el tejido espacio-temporal, el paso de una de ellas a través de LIGO se expresará en el estiramiento de uno de sus brazos y el encogimiento del otro.

Ahora bien, ¿en qué orden de magnitud se encontrarán dichas variaciones?

Aquí viene lo interesante: la fluctuación de tamaño producida por las ondas gravitacionales equivale al estirar la distancia entre la Tierra y el Sol el ancho de un átomo de hidrógeno. O, por poner otro símil, a estirar la distancia entre el Sol y Proxima Centauri en el ancho de un cabello humano.

Ese es el grado de precisión que debe alcanzar esta «regla gigante».

 

LIGO Livingston Observatory
Vista aérea de LIGO Livingston Observatory.

 

Capítulo veintidós: aislándose del mundo

Y con la precisión viene la sensibilidad. LIGO es tan sensible que basta con que a un técnico se le caiga un martillo en las inmediaciones para que se detecten falsos indicios de ondas gravitacionales. ¿Y qué decir de un coche que transita por la zona, o de un avión que despega, o de un árbol que cae en un bosque cercano?

Para reducir al mínimo las injerencias del entorno, la última versión de sus detectores (conocida como Advanced LIGO, e inaugurada en septiembre de 2015) ha mejorado algunos elementos importantes.

Para empezar, Advanced LIGO supera en más de diez veces la sensibilidad de Enhanced LIGO (su versión anterior). Pero además ha reforzado sus mecanismos de aislación del «ruido» ambiente.

Como se explica en su página web:

«LIGO es el mayor sistema de vacío sostenido del mundo (8 veces el vacío del espacio), y mantiene 300.000 pies cúbicos (aproximadamente 8.500 metros cúbicos) a una presión de una billonésima de la atmósfera terrestre».

Sumado a eso, la nueva versión de LIGO implementa mejoras en la colocación de sus componentes ópticos para impedir, entre otras cosas, que leves cambios de temperatura varíen su índice de refracción de la luz. Dado que el haz se desplaza por una cámara de vacío de cuatro kilómetros de largo y un metro veinte de diámetro, la más mínima curvatura del haz (debido al cambio del índice de refracción) puede hacerlo chocar contra las paredes.

También se han mejorado los sistemas —tanto externos como externos— de aislamiento sísmico:

«En el interior se encuentran unos imanes minúsculos sujetos al dorso de cada espejo. (…) Si los espejos se mueven demasiado, un electroimán crea un campo magnético en contra que empuja o tira de los imanes hasta colocar el espejo de vuelta en su posición. (…) En el exterior se encuentran los sistemas hidráulicos que contrarrestan las vibraciones de la superficie terrestre (medidas por los sismómetros cercanos) antes de que provoquen vibraciones en los componentes internos de LIGO».

Todas estas mejoras fueron esenciales para la detección de las ondas gravitacionales.

Pero antes de explicar qué se detectó y cómo se confirmaron los datos, es necesario agregar un elemento a la explicación que, para hacerla más sencilla, he omitido hasta ahora.

 

Capítulos veintitrés: somos mucho más que dos

LIGO no es un interferómetro sino dos: LIGO Livingston Observatory, ubicado en Livingston, Louisiana (es decir, al sureste de Estados Unidos) y LIGO Hanford Observatory, ubicado en Richland, Washington (es decir, en el noroeste del país).

La distancia que separa ambas instalaciones es de 3.002 kilómetros (podría haber redondeado en tres mil kilómetros, pero lo de los dos kilómetros extra me pareció divertido).

¿Y a qué se debe esa duplicación de instalaciones?

En primer lugar, es la forma más sencilla de detectar falsos positivos. Cualquier señal que solo sea medida por uno de los dos interferómetros puede ser descartada como de origen local.

Pero existen dos razones más que la justifican (que incluso justificarían triplicarla).

Gracias a Einstein, desde 1905 sabemos que nada se mueve más rápido que la luz. Y las ondas gravitacionales no son la excepción. De hecho, las ondas gravitacionales se mueven exactamente a la velocidad de la luz. Debido a eso, los investigadores disponen de una segunda herramienta para corroborar sus datos: la señal no solo debe ser captada por ambos interferómetros, sino que debe registrarse una dilación de una centésima de segundo entre la señal recibida por el primero y la señal recibida por el segundo.

¿Por qué?

Porque la luz viaja a trecientos mil kilómetros por segundo y ambas instalaciones están separadas por tres mil.

La segunda razón de peso para tener dos interferómetros (e incluso mejor tres) es que no pueden realizarse observaciones direccionales con un único detector. (Salvo que se trate de ondas gravitacionales continuas, pero, como vimos más arriba, ese tipo de ondas resultan demasiado débiles para ser captadas).

Así que para ubicar las fuentes de emisión de las ondas gravitacionales se necesita comparar los tiempos de recepción de la señal de, al menos, tres interferómetros (por algo la técnica se conoce como «triangulación»).

En la actualidad, ese tercer interferómetro LIGO está en etapa de proyecto en la India, sin embargo, es muy probable que mucho antes (incluso este mismo año) Advanced VIRGO (el interferómetro del European Gravitational Observatory) ya esté en condiciones de cumplir esa función.

 

Ubicación relativa
Ubicación relativa de LIGO Livingston Observatory y LIGO Hanford Observatory.

 

Capítulo veinticuatro: el descubrimiento del siglo (o al menos que tardó un siglo)

«Hemos detectado ondas gravitacionales. Lo hicimos».

Con estas palabras, David Reitze, director ejecutivo de LIGO, presentó el 11 de febrero de 2016 la señal GW150914, detectada (como indica su nombre) el 14 de septiembre del año anterior. (Aunque parezca mentira, apenas dos días después de que Advanced LIGO empezara a funcionar).

¿Y qué es GW150914?

Es una señal que se corresponde a las ondas gravitacionales de tipo «explosivo». Un tipo de onda que, como recordarás, nos llegan con mayor intensidad que las otras, pero de forma imprevista.

Que la señal se haya recibido apenas dos días después de que Advanced LIGO se haya puesto en marcha fue una cuestión de suerte…, pero, en ciencia, la suerte tiene que hallarte trabajando.

Hilando más fino, la señal corresponde a la fusión de dos agujeros negros (uno en el entorno de las 36 masas solares y el otro en el entorno de las 29) en un único agujero negro de 62 masas solares. En el proceso (ocurrido, presumiblemente, a una distancia de 1.300 millones de años luz) una masa equivalente a tres veces la del Sol se convirtió en energía y fue irradiada en forma de ondas gravitacionales.

 

Capítulo veinticinco: el rigor de la ciencia

¿Y cómo supieron que era eso lo que estaban recibiendo?

En primer lugar, la señal fue recibida por ambos interferómetros con una dilación de una centésima de segundo. Lo que elimina la posibilidad de cualquier falso positivo.

En segundo lugar, como se explica en el resumen de «Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger» (el artículo con el que los investigadores de LIGO expusieron sus resultados a la comunidad científica):

«La señal presentaba movimientos circulares ascendentes entre las frecuencias de 35 y 250 Hz con una tensión de onda gravitacional máxima de 1.0 × 10−21. Lo cual concuerda con la forma de onda predicha por la relatividad general para el acercamiento final (inspiral) y fusión de un par de agujeros negros y las ondas gravitacionales emergentes (ringdown) del agujero negro resultante».

Así que no solo disponían de dos mediciones similares obtenidas con la dilación precisa, sino que ambas coincidían, a su vez, con la predicción teórica para el tipo de onda gravitacional que estaban observando. Debido a todo esto (y volviendo al artículo de LIGO) sus investigadores pudieron afirmar que:

«Se observó una señal con una relación señal/ruido de filtro combinado de 24 [«filtro combinado» porque el filtrado se produjo en ambos interferómetros] y una tasa de falsa alarma estimada en menos de un evento cada 203.000 años, equivalente a una significación estadística mayor que 5,1σ».

En ciencia, lo exigido para confirmar una observación son 5,0σ.

 

Datos del LIGO
Exposición de resultados de LIGO extraída del artículo «Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger».

 

Epílogo: el viejo truco del final abierto

«”Es transformador”, dijo el profesor Alberto Vecchio de la Universidad de Birmingham, uno de los investigadores de LIGO. “Hasta ahora hemos observado el universo a través de la luz, pero solo podemos ver una parte de lo que sucede. Las ondas gravitacionales contienen información completamente distinta sobre los fenómenos del universo. Así que hemos abierto una nueva forma de escuchar, un canal que nos permitirá descubrir fenómenos que nunca antes habíamos visto”».

Esta declaración, extraída de un artículo de The Guardian del 11 de febrero de 2016 (el día en LIGO hizo públicos sus resultados), sugiere que el descubrimiento no es el final de la historia. Al contrario, es tan solo el comienzo de una forma distinta de entender el cosmos.

Es comprensible. Al fin y al cabo, las ondas gravitacionales no dejan de ser ondas (al igual que las ondas electromagnéticas en todas sus frecuencias) y por tanto contienen información.

… Así que (como en toda buena saga) estos cien años de curiosidad se han cerrado con la resolución del conflicto (¡un siglo después de ser predichas por Einstein, las ondas gravitacionales al fin han sido detectadas!), pero dejando una puerta abierta para próximas entregas.

Porque con la información recabada por Advanced LIGO, Advanced VIRGO, los interferómetros proyectados en India y Japón, y los satélites LISA (que llevarán la detección de ondas gravitacionales al espacio), los astrofísicos tendrán material de sobra para otros cien años de curiosidad.

Claro que esas historias todavía están por escribirse…

 

the end

 

 

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