Ondas gravitacionales, el descubrimiento del siglo

Al menos para la bitácora de la historia de la ciencia, 2016 será recordado como el año en el que se concretó uno de los mayores descubrimientos de la astrofísica. Esto comienza exactamente hace un siglo, momento en que Albert Einstein publica su Teoría de la Relatividad General (TRG) prediciendo un fenómeno físico al que denominó ondas gravitacionales.

Hace cuatro siglos, con Isaac Newton comprendimos como funcionaba el mundo. Obtuvimos una primera versión de la ciencia moderna tal cual la conocemos hoy en día. Con determinadas salvedades, el modelo de Newton explicaba (y explica) en gran medida la física rutinaria, la que comprende nuestras vidas diarias. El porqué al soltar un objeto de nuestra mano el mismo cae al suelo o el funcionamiento de un ascensor; Newton nos da las herramientas para explicar las causas y los efectos que observamos. Por ejemplo, los motivos por los cuales la Tierra (como el resto de los planetas del sistema Solar) orbita el Sol; con Newton encontramos esas respuestas. Una determinada fuerza de gravedad existente entre ambos cuerpos (en realidad dos fuerzas) es la causante que explica los motivos por los cuales nos encontremos dando vueltas alrededor de una estrella amarilla.

Pero “nada es para siempre”. Hace un siglo, un alemán llamado Albert Einstein tuvo la irreverencia de mostrar que ante determinadas circunstancias, la física de Sir Isaac “hacía agua”. A cambio, Albert nos regaló otro modelo de universo, y cambió desde entonces el paradigma de cómo funciona el mundo. Para darnos una idea del cambio propuesto por Einstein, imaginemos que el espacio (espacio-tiempo para ser precisos) es una especie de mantel cuadriculado; algo así como una malla o red. Podemos darnos una idea de esto experimentando en nuestras casas. Tomemos una esferita y hagamos que se desplace de un lugar a otro sobre el mantel bien extendido. Coloquemos ahora un segundo objeto algo más grande (una naranja, por ejemplo). Es claro que la fruta deformará el mantel en determinada zona, exactamente a su alrededor. Si repetimos el experimento anterior, ahora observaremos que el camino de la esferita no es recto sino curvo. Es más, si pasamos

demasiado cerca de la naranja, la esferita directamente no llegará a destino sino que caerá hacia la fruta misma. En nuestro modelo “mantelnaranja-esferita”, el primero sería el espacio-tiempo, la fruta sería el Sol, y la esferita un planeta. Estamos entonces en condiciones de hacernos una idea acerca de cómo Einstein nos explicó hace 100 años la manera en que los planetas giran alrededor del Sol. Son los planetas los que a partir de la deformación espacio-temporal que produce el Sol, realizan trayectorias curvas (elipses) alrededor de la estrella. Siglos de mecánica newtoniana que tan buenos resultados ofrecieron (y ofrecen) a la comprensión del mundo a partir, por ejemplo, de una fuerza de gravedad, fueron desplazados por el modelo físico-matemático de Einstein.

Tanto la naranja como el Sol deforman al mantel y al espacio-tiempo respectivamente. Es aquí en donde entra a jugar un papel protagónico la masa de un cuerpo. Cuanto mayor sea ésta, mayor será la deformación que produzca. En otras palabras, una estrella mucho más masiva que el Sol, producirá una deformación mucha más intensa que la que éste genera. Si pudiésemos contar con un objeto cuya masa sea literalmente extraordinaria, entonces la deformación del espacio-tiempo será colosal. Cualquier objeto que se le acerque, sufrirá un violento cambio en su trayectoria. Es más, si lo hace a determinada distancia crítica, ya directamente no podrá escapar del mismo y “caerá” sobre nuestro protagonista. Será tan grande su influencia que ni siquiera la luz logrará escapar de él. Pero en ese caso, si la luz es totalmente absorbida por este extraño objeto, no podríamos verlo. Sería algo así como una zona en donde todo es más que oscuro; directamente sería un lugar en donde ya no podríamos ver absolutamente nada. Algo así como una especie de agujero, y de color negro. ¿Existen estos objetos tan particulares? Pues sí. Y ya te habrás imaginado como se los llama. Los agujeros negros son resultado de la muerte explosiva de estrellas muy masivas. El remanente de estas explosiones (el núcleo residual) contiene tal cantidad de masa, que ni la luz logra escapar del mismo. La única manera de “observarlos” es de manera indirecta, detectando lo que producen a su alrededor.

No es difícil imaginar que las deformaciones del espacio-tiempo producidas por un agujero negro son de las más intensas que puedan existir. Una de las predicciones de la TRG de Einstein es que agujeros negros acelerados, producirían ciertas vibraciones (ondas), que se propagarían por el espacio. Hagamos aquí otra analogía. Imaginemos que el espacio ya no es nuestro mantel sino la superficie de un lago. Y que el agujero negro es tan solo una simple piedra en nuestras manos. Si la arrojamos al lago, veremos inmediatamente la formación de ondas las cuales se propagan sobre el espejo de agua. Pues bien, si en lugar de la piedra tengo un agujero negro con cierta aceleración, la TRG predice la formación de ondas a lo largo del espacio-tiempo. Ondas producidas como consecuencia de la aceleración del agujero negro y de su gravedad. Ya no ondas de agua en el lago sino ondas gravitacionales a través del espacio. Algo interesante de mencionar es que si bien Einstein predijo la existencia de estas ondas gravitacionales, nunca creyó que podrían ser detectadas en la Tierra, ya que estos fenómenos ocurren tan lejos de nosotros que cuando llegasen a nuestro planeta, estas ondas serían tan débiles que sería imposible su detección.
Para tener una idea de la debilidad con la que llegan a la Tierra esas ondas y por lo tanto la complejidad que implica poder detectarlas, podemos hacer la siguiente comparación. Supongamos tener una varilla de un trillón de kilómetros. ¿Qué eso eso? Una varilla cuya longitud sea 1.000.000.000.000.000.000 de km (tengamos en cuenta que la distancia Tierra-Sol es de 150.000.000 km). Tener la capacidad de detectar ondas gravitacionales sería semejante a poder medir esta varilla con un error menor a los 5 milímetros. ¿Impresionante, verdad? Aquí es donde la maravilla de la ciencia y la tecnología producen impresionantes resultados. ¿Cómo podríamos contar con una especie de regla que nos permita medir esa varilla tan larga y de forma tan precisa? Hay una muy especial: la luz. Si las ondas gravitacionales existiesen, al momento de llegar a Tierra, por más débiles que fuesen deformarían el espacio -tiempo existente. En otras palabras, deformarían todo lo que encuentren a su paso. Por ejemplo, si tuviese un gran tubo de unos 4 kilómetros de longitud, ese tubo se alargaría o encogería al ser afectado por el paso de la onda gravitacional. Es más, puedo asegurarte que vos y yo nos deformamos por las ondas gravitaciones. Por supuesto, el efecto es tan ínfimo que no podemos sentirlo físicamente. ¡Pero ocurre!. Parece de ciencia ficción aunque, por supuesto, no lo es. Y es aquí en donde cobra una magnitud mayúscula los resultados obtenidos con el experimento LIGO, un proyecto de grandes tubos de longitud en donde existen espejos, láseres y detectores, los cuales permitieron observar ondas gravitacionales. Básicamente consta de dos largos cilindros perpendiculares entre sí. Dentro de ellos se emiten láseres y en función de cómo se comportan esos rayos de luz es que puede detectarse y medirse la manera en que se deforman ambos tubos. En el caso de este descubrimiento, el mismo fue originado como consecuencia de la fusión de dos agujeros negros, formando uno supermasivo.

Una de las notas lindas para los argentinos respecto de este impresionante hallazgo es que una de las líderes del proyecto LIGO es una cordobesa, la Dra. Gabriela González, egresada de la Facultad de
Matemática, Astronomía y Física de la Universidad Nacional de Córdoba. Una vez más, un verdadero orgullo para nuestras UU.NN.

Así como una fotografía, una placa de rayos X, o una imagen infrarroja, ofrecen distintas “visiones” y “versiones” de un mismo objeto, ahora LIGO nos brinda la oportunidad de analizar al universo desde otra perspectiva. Sin duda alguna estos resultados son impresionantes. Como lo es el maravilloso modelo del cosmos que regaló para toda la humanidad el genial Albert Einstein.

(*) Director de Gestión Planetario Ciudad de La Plata

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