Las oscilaciones en el espacio-tiempo fueron descubiertas un siglo después de que fueran predichas por Einstein. Comienza una nueva era en astronomía.
Los científicos pudieron detectar fluctuaciones en el espacio-tiempo causadas por la fusión de agujeros negros. Esto sucedió cien años después de que Albert Einstein predijera estas "ondas gravitacionales" en su teoría general de la relatividad, y cien años después de que los físicos comenzaran a buscarlas.
Este descubrimiento histórico fue informado hoy por investigadores del Observatorio de Ondas Gravitacionales Interferométricas Láser LIGO. Confirmaron los rumores que habían rodeado el análisis del primer conjunto de datos que habían recopilado durante meses. Los astrofísicos dicen que el descubrimiento de las ondas gravitacionales nos permite mirar el universo de una manera nueva y permite reconocer eventos distantes que no se pueden ver con telescopios ópticos, pero se pueden sentir e incluso escuchar sus tenues temblores que nos llegan a través del espacio.
“Hemos detectado ondas gravitacionales. ¡Lo hicimos! anunció David Reitze, director ejecutivo del equipo de investigación de 1,000 miembros, hablando hoy en una conferencia de prensa en Washington en la National Science Foundation.
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Las ondas gravitacionales son quizás el fenómeno más elusivo de las predicciones de Einstein; el científico discutió este tema con sus contemporáneos durante décadas. Según su teoría, el espacio y el tiempo forman materia que se estira, que se dobla bajo la influencia de objetos pesados. Sentir la gravedad significa meterse en las curvas de esta materia. Pero, ¿puede este espacio-tiempo temblar como la piel de un tambor? Einstein estaba confundido, no sabía qué significaban sus ecuaciones. Y cambió repetidamente su punto de vista. Pero incluso los partidarios más acérrimos de su teoría creían que las ondas gravitacionales eran demasiado débiles para ser observadas de todos modos. Caen en cascada hacia afuera después de ciertos cataclismos y, a medida que se mueven, se estiran y contraen alternativamente el espacio-tiempo. Pero cuando estas ondas llegan a la Tierra,se estiran y comprimen cada kilómetro de espacio en una pequeña fracción del diámetro de un núcleo atómico.
Detector de observatorio LIGO en Hanford, Washington
Foto: REUTERS, Hangout
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Se necesitó paciencia y precaución para detectar estas ondas. El observatorio LIGO lanzó rayos láser de ida y vuelta a lo largo de curvas en ángulo recto de cuatro kilómetros de dos detectores, uno en Hanford, Washington y el otro en Livingston, Louisiana. Esto se hizo en busca de expansiones y contracciones coincidentes de estos sistemas durante el paso de ondas gravitacionales. Usando estabilizadores de última generación, instrumentos de vacío y miles de sensores, los científicos midieron los cambios en la longitud de estos sistemas, que ascienden a solo una milésima parte del tamaño de un protón. Tal sensibilidad de los instrumentos era impensable hace cien años. También parecía increíble en 1968, cuando Rainer Weiss del Instituto de Tecnología de Massachusetts concibió un experimento llamado LIGO.
“Es un gran milagro que al final lo hayan logrado. ¡Fueron capaces de detectar estas pequeñas vibraciones! - dijo el físico teórico de la Universidad de Arkansas, Daniel Kennefick, quien escribió en 2007 el libro Viajando a la velocidad del pensamiento: Einstein y la búsqueda de ondas gravitacionales.
Este descubrimiento marcó el comienzo de una nueva era en la astronomía de ondas gravitacionales. Se espera que tengamos ideas más precisas sobre la formación, composición y papel galáctico de los agujeros negros, estas bolas de masa superdensas que distorsionan el espacio-tiempo de manera tan dramática que ni siquiera la luz puede escapar de allí. Cuando los agujeros negros se acercan y se fusionan, generan una señal de impulso: oscilaciones espacio-temporales que aumentan en amplitud y tono, y luego terminan abruptamente. Las señales que pueden ser grabadas por el observatorio están en el rango de audio; sin embargo, son demasiado débiles para ser escuchadas por el oído desnudo. Puede recrear este sonido pasando los dedos por las teclas del piano. “Empiece por la nota más baja y suba hasta la tercera octava”, dijo Weiss. "Esto es lo que escuchamos".
Los físicos ya están asombrados por la cantidad y la fuerza de las señales que se han registrado en este momento. Esto significa que hay más agujeros negros en el mundo de lo que se pensaba. “Tenemos suerte, pero siempre he contado con esa suerte”, dijo el astrofísico de Caltech Kip Thorne, quien creó LIGO con Weiss y Ronald Drever, quienes también son de Caltech. "Esto suele suceder cuando se abre una ventana completamente nueva en el universo".
Habiendo escuchado a escondidas las ondas gravitacionales, podemos formarnos ideas completamente diferentes sobre el espacio, y quizás descubramos fenómenos cósmicos inimaginables.
“Puedo comparar esto con el momento en que apuntamos un telescopio al cielo por primera vez”, dijo la astrofísica teórica Janna Levin de Barnard College, Universidad de Columbia. "La gente se dio cuenta de que había algo allí, y puedes verlo, pero no pudieron predecir el increíble conjunto de posibilidades que existen en el universo". Asimismo, señaló Levin, el descubrimiento de ondas gravitacionales podría mostrar que el universo está "lleno de materia oscura que no podemos detectar con un telescopio".
La historia del descubrimiento de la primera onda gravitacional comenzó el lunes por la mañana de septiembre y comenzó con un aplauso. La señal fue tan clara y fuerte que Weiss pensó: "No, esto es una tontería, no saldrá nada".
Intensidad de las emociones
Esta primera onda gravitacional barrió los detectores de LIGO mejorados, primero en Livingston y siete milisegundos más tarde en Hanford, durante una simulación realizada temprano en la mañana del 14 de septiembre, dos días antes del inicio oficial de la recopilación de datos.
Los detectores se "ejecutaron" después de una actualización de cinco años que costó $ 200 millones. Estaban equipados con nuevos espejos para la cancelación de ruido y un sistema de retroalimentación activa para suprimir vibraciones extrañas en tiempo real. La actualización le dio al observatorio actualizado un nivel más alto de sensibilidad que el antiguo LIGO, que encontró "cero absoluto y puro", como dijo Weiss, entre 2002 y 2010.
Cuando llegó la fuerte señal en septiembre, los científicos de Europa, donde era de mañana en ese momento, comenzaron a bombardear apresuradamente a sus colegas estadounidenses con correos electrónicos. Cuando el resto del grupo se despertó, la noticia se difundió muy rápidamente. Casi todo el mundo se mostró escéptico sobre esto, dijo Weiss, especialmente cuando vieron la señal. Era un verdadero clásico de los libros de texto, por lo que algunas personas pensaron que era falso.
Los conceptos erróneos en la búsqueda de ondas gravitacionales se han repetido muchas veces desde finales de la década de 1960, cuando Joseph Weber de la Universidad de Maryland creía haber descubierto vibraciones resonantes en un cilindro de aluminio con sensores en respuesta a las ondas. En 2014, se llevó a cabo un experimento llamado BICEP2, según cuyos resultados se anunció que se detectaron las ondas gravitacionales originales, las oscilaciones espacio-temporales del Big Bang, que a estas alturas se han extendido y congelado permanentemente en la geometría del universo. Los científicos del equipo BICEP2 anunciaron su descubrimiento con gran fanfarria, pero luego sus resultados fueron verificados de forma independiente, durante lo cual resultó que estaban equivocados y que esta señal provenía del polvo cósmico.
Cuando el cosmólogo de la Universidad Estatal de Arizona, Lawrence Krauss, se enteró del descubrimiento del equipo LIGO, primero pensó que era "algo ciego". Durante el funcionamiento del antiguo observatorio, se insertaron en secreto señales simuladas en flujos de datos para probar la respuesta, y la mayoría del equipo no lo sabía. Cuando Krauss se enteró de una fuente bien informada que esta vez no era "relleno a ciegas", apenas pudo contener su alegría.
El 25 de septiembre, tuiteó a sus 200.000 seguidores: “Rumores de una onda gravitacional detectada en el detector LIGO. Increíble si es cierto. Te daré los detalles, si no es un tilo ". A esto le sigue una entrada del 11 de enero: “Fuentes independientes confirman rumores anteriores sobre LIGO. Siga las noticias. ¡Quizás se descubran ondas gravitacionales!"
La posición oficial de los científicos era la siguiente: no difundir la señal recibida hasta que haya una certeza del cien por cien. Thorne, atado de pies y manos por este compromiso de mantener el secreto, ni siquiera le dijo nada a su esposa. “Lo celebré solo”, dijo. Para empezar, los científicos decidieron volver desde el principio y analizar todo hasta el más mínimo detalle para saber cómo se propagaba la señal a través de los miles de canales de medición de varios detectores, y entender si había algo extraño en el momento en que se detectó la señal. No encontraron nada fuera de lo común. También eliminaron a los piratas informáticos que deberían haber conocido mejor los miles de flujos de datos del experimento. "Incluso cuando el equipo lanza, no son lo suficientemente perfectos y dejan muchas huellas a su paso", dijo Thorne. "Y no había rastros aquí".
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En las semanas siguientes, escucharon otra señal más débil.
Los científicos analizaron las dos primeras señales y recibieron cada vez más. En enero, presentaron sus trabajos de investigación en Physical Review Letters. Este problema está en Internet hoy. Según sus estimaciones, la importancia estadística de la primera señal más potente supera la "5-sigma", lo que significa que los investigadores tienen un 99,9999% de confianza en su autenticidad.
Escuchando la gravedad
Las ecuaciones de la relatividad general de Einstein son tan complejas que a la mayoría de los físicos les tomó 40 años estar de acuerdo: sí, las ondas gravitacionales existen y pueden detectarse, incluso teóricamente.
Al principio, Einstein pensó que los objetos no podían liberar energía en forma de radiación gravitacional, pero luego cambió su punto de vista. En su obra histórica, escrita en 1918, mostró qué objetos pueden hacer esto: sistemas de mancuernas que giran simultáneamente alrededor de dos ejes, por ejemplo, binarios y supernovas que explotan como petardos. Son ellos los que pueden generar ondas en el espacio-tiempo.
Modelo informático que ilustra la naturaleza de las ondas gravitacionales en el sistema solar
Foto: REUTERS, Folleto
Pero Einstein y sus colegas continuaron dudando. Algunos físicos han argumentado que incluso si existen ondas, el mundo vibrará con ellas y será imposible sentirlas. Sólo en 1957 Richard Feynman cerró esta cuestión al demostrar en un experimento mental que si existen ondas gravitacionales, teóricamente pueden detectarse. Pero nadie sabía qué tan comunes eran estos sistemas de mancuernas en el espacio exterior, o qué tan fuertes o débiles eran las ondas resultantes. "Al final, la pregunta era: ¿podemos encontrarlos alguna vez?" Dijo Kennefick.
En 1968, Rainer Weiss era un joven profesor en el Instituto de Tecnología de Massachusetts y fue asignado a impartir un curso de relatividad general. Como experimentador, sabía poco al respecto, pero de repente hubo noticias del descubrimiento de Weber de las ondas gravitacionales. Weber construyó tres detectores de resonancia del tamaño de un escritorio con aluminio y los colocó en diferentes estados de Estados Unidos. Ahora dijo que los tres detectores registraron "el sonido de ondas gravitacionales".
Se pidió a los estudiantes de Weiss que explicaran la naturaleza de las ondas gravitacionales y expresaran su opinión sobre el mensaje sonado. Al estudiar los detalles, se asombró de la complejidad de los cálculos matemáticos. “No podía imaginar qué demonios estaba haciendo Weber, cómo interactúan los sensores con la onda gravitacional. Me senté durante mucho tiempo y me pregunté: "¿Qué es lo más primitivo que se me ocurre para detectar ondas gravitacionales?" Y entonces se me ocurrió una idea, que llamo la base conceptual de LIGO ".
Imagina tres objetos en el espacio-tiempo, digamos, espejos en las esquinas de un triángulo. “Envíe una señal luminosa de uno a otro”, dijo Weber. "Vea cuánto tiempo se tarda en pasar de una masa a otra y compruebe si el tiempo ha cambiado". Resulta, señaló el científico, que esto se puede hacer rápidamente. “Encomendé esto a mis estudiantes como una tarea científica. Literalmente, todo el grupo pudo hacer estos cálculos ".
En los años siguientes, cuando otros investigadores intentaron replicar los resultados del experimento de Weber con un detector resonante, pero fallaron constantemente (no está claro lo que observó, pero estas no eran ondas gravitacionales), Weiss comenzó a preparar un experimento mucho más preciso y ambicioso: el interferómetro de ondas gravitacionales. El rayo láser se refleja en tres espejos en forma de L para formar dos rayos. El espaciado de los picos y valles de las ondas de luz indica con precisión la longitud de las rodillas "G" que crean los ejes X e Y del espacio-tiempo. Cuando la báscula está estacionaria, las dos ondas de luz rebotan en las esquinas y se anulan entre sí. La señal en el detector es cero. Pero si una onda gravitacional atraviesa la Tierra, estira la longitud de un brazo de la letra "G" y comprime la longitud del otro (y viceversa a su vez). El desajuste de los dos haces de luz crea una señal en el detector, mostrando ligeras fluctuaciones en el espacio-tiempo.
Al principio, los compañeros físicos se mostraron escépticos, pero pronto el experimento encontró apoyo en la persona de Thorne, cuyo grupo de teóricos de Caltech investigó los agujeros negros y otras fuentes potenciales de ondas gravitacionales, así como las señales que generan. Thorne se inspiró en el experimento de Weber y en esfuerzos similares de científicos rusos. Después de hablar en 1975 en una conferencia con Weiss, "comencé a creer que la detección de ondas gravitacionales sería exitosa", dijo Thorne. "Y quería que Caltech también participara en esto". Hizo arreglos con el instituto para contratar al experimentador escocés Ronald Driever, quien también anunció que construiría un interferómetro de ondas gravitacionales. Con el tiempo, Thorne, Driver y Weiss comenzaron a trabajar como un equipo, cada uno resolviendo su propia parte de innumerables problemas en preparación para un experimento práctico. El trío formó LIGO en 1984, y cuando se construyeron los prototipos y comenzó un equipo en crecimiento, recibieron $ 100 millones en fondos de la National Science Foundation a principios de la década de 1990. Se redactaron planos para la construcción de un par de detectores gigantes en forma de L. Una década después, los detectores empezaron a funcionar.
En Hanford y Livingston, en el centro de cada una de las curvas de cuatro kilómetros de los detectores hay un vacío, gracias al cual el láser, su rayo y sus espejos quedan aislados al máximo de las constantes vibraciones del planeta. Para asegurar aún más, los científicos de LIGO monitorean sus detectores durante su operación con miles de instrumentos, midiendo todo lo que pueden: actividad sísmica, presión atmosférica, rayos, rayos cósmicos, vibración de equipos, sonidos en el área del rayo láser, etc. Luego filtran este ruido de fondo extraño de sus datos. Quizás lo principal es que tienen dos detectores, y esto le permite comparar los datos recibidos, verificándolos por la presencia de señales coincidentes.
Dentro del vacío creado, incluso cuando los láseres y los espejos están completamente aislados y estabilizados, “todo el tiempo suceden cosas extrañas”, dice Marco Cavaglià, portavoz adjunto del proyecto LIGO. Los científicos deben rastrear estos "peces de colores", "fantasmas", "monstruos marinos incomprensibles" y otros fenómenos vibratorios extraños, buscando su origen para eliminarlos. Un caso difícil ocurrió durante la fase de validación, dijo Jessica McIver, científica investigadora del equipo LIGO, que estudia tales señales e interferencias extrañas. En los datos aparecía a menudo una serie de ruidos periódicos de frecuencia única. Cuando ella y sus colegas convirtieron las vibraciones de los espejos en archivos de audio, “el teléfono sonaba claramente”, dijo McIver. “Resultóque eran los anunciantes de la comunicación los que llamaban por teléfono dentro de la sala láser.
En los próximos dos años, los científicos continuarán mejorando la sensibilidad de los detectores del Observatorio LIGO de Ondas Gravitacionales Interferométricas Láser modernizado. Y en Italia, un tercer interferómetro, llamado Advanced Virgo, comenzará a funcionar. Una respuesta que los datos obtenidos ayudarán a dar es cómo se forman los agujeros negros. ¿Son el producto del colapso de las primeras estrellas masivas o son el resultado de colisiones dentro de densos cúmulos estelares? “Estas son solo dos suposiciones, supongo que habrá más cuando todos se calmen”, dice Weiss. A medida que LIGO comience a acumular nuevas estadísticas en el curso de su próximo trabajo, los científicos comenzarán a escuchar historias sobre el origen de los agujeros negros que el espacio les susurrará.
A juzgar por su forma y tamaño, la primera señal pulsada más fuerte se originó a 1.300 millones de años luz de donde, después de una eternidad de danza lenta, bajo la influencia de la atracción gravitacional mutua, dos agujeros negros, cada uno de aproximadamente 30 veces la masa solar, finalmente se fusionaron. Los agujeros negros giraban cada vez más rápido, como un remolino, acercándose gradualmente. Luego hubo una fusión, y en un abrir y cerrar de ojos liberaron ondas gravitacionales con una energía comparable a la de tres soles. Esta fusión se convirtió en el fenómeno energético más poderoso jamás registrado.
“Es como si nunca hubiéramos visto el océano durante una tormenta”, dijo Thorne. Ha estado esperando esta tormenta en el espacio-tiempo desde la década de 1960. La sensación que experimentó Thorne mientras las olas llegaban no era exactamente de emoción, dice. Era algo más: un sentimiento de profunda satisfacción.
