El sonido del silencio (II)

Continuamos el relato iniciado en el artículo anterior, en el que comenzamos hablando de la teoría de la Relatividad General de Einstein y terminamos resaltando una de sus predicciones más peculiares: la existencia de ondas gravitatorias. En esta ocasión hablaremos de la primera detección directa de estas ondulaciones del espacio-tiempo por el experimento LIGO, un hito sin precedentes en la física que nos abre una nueva ventana al cosmos.

Las variaciones infinitesimales que mencionamos en el pasado artículo se intentan medir con gigantescos interferómetros Michelson-Morley con cavidades Fabry-Pérot, en los que las masas prueba están separadas por unos pocos kilómetros y están suspendidas como péndulos en un ambiente de vacío casi perfecto, para aislarlas del ruido sísmico y reducir el ruido térmico. Ejemplos de tal tipo de experimentos son los detectores LIGO (en Hanford y en Livingston, EE.UU.), Virgo (en Cascina, Italia) y KAGRA (en Japón). Analizando las franjas de interferencia del láser del interferómetro, se puede controlar el movimiento de las masas durante su interacción con la radiación gravitatoria. El cambio en la longitud de los brazos al paso de una onda gravitatoria, origina un cambio minúsculo en el patrón de las franjas de interferencia (inexistente en ausencia de señal) a la salida del interferómetro.

Imagen del observatorio LIGO en Livingstone

El pasado 14 de Septiembre de 2015, los interferómetros avanzados LIGO Hanford y LIGO Livingston, detectaron en coincidencia, a las 09:50:45 horas UTC, el evento GW150914, que se convertiría en la primera detección directa jamás realizada de una onda gravitatoria. La observación inicial se debe a Marco Drago, y tuvo lugar durante una búsqueda automatizada de señales transitorias genéricas a los tres minutos de iniciarse la toma de datos. La relación señal-ruido del evento era tan elevada que la primera impresión fue que debía tratarse de una señal inyectada artificialmente en los datos por los propios investigadores, para llevar a cabo algún tipo de análisis. Sin embargo, el 14 de Septiembre de 2015 los interferómetros LIGO estaban en “modo de ingeniería” (y no en “modo científico”) por lo que el sistema de inyecciones estaba desactivado. Una hora después del e-mail de alerta de Drago a todos los miembros de las colaboraciones científicas LIGO y Virgo, las inyecciones artificiales quedaron descartadas, por lo que parecía claro que la señal detectada podía ser real.

El primer run científico de los interferómetros LIGO avanzados, llamado O1, comenzó el 18 de Septiembre de 2015, cuatro días después de la detección de GW150914. Uno de los objetivos principales fue recoger suficientes datos para validar la señal observada. Para medir el fondo del ruido y estimar la significancia estadística de la señal, se necesitaron cinco días de toma de datos en ambos detectores. Para el 5 de Octubre de 2015, la señal estaba confirmada. Tras semanas de análisis, no pocos rumores, y enorme expectación, la confirmación oficial de la detección se anunció el 11 de Febrero de 2016.

GW150914 es un tipo de onda gravitatoria que coincide con la predicha teóricamente durante la coalescencia y fusión de dos agujeros negros – una señal tipo “chirp”, seguida por el “burst” y el “ringdown” de las oscilaciones amortiguadas del agujero negro resultante. La detección de GW150914 demuestra la existencia de agujeros negros de origen estelar y establece que sistemas binarios de agujeros negros existen en la naturaleza y pueden fusionarse en tiempos inferiores a la edad del Universo. Además, todos las pruebas realizadas con los datos observados son consistentes con las predicciones de la Relatividad General en el régimen de gravedad intensa. En la teoría de Einstein, el resultado de la colisión de dos agujeros negros es un agujero negro de Kerr, totalmente descrito por su masa y su momento angular. Para órbitas cuasi-circulares, estos parámetros se pueden calcular a partir de las masas y los espines de los agujeros negros individuales. En GW150914, la masa del agujero negro final es de unas 62 veces la masa del Sol. Además, el acuerdo obtenido entre los resultados de las simulaciones de relatividad numérica de la fusión de agujeros negros y las predicciones de la teoría ha sido excelente. GW150914 también proporciona una (nueva) cota superior para la masa del gravitón, hipotética partícula mediadora de la interacción gravitatoria en una posible teoría cuántica de la gravedad. En Relatividad General el gravitón tiene masa nula y viaja a la velocidad de la luz, por lo que su longitud de onda Compton es infinita. Con los datos de GW150914 no hay evidencia de un valor finito de dicha longitud de onda.

La fusión de dos agujeros negros crea ondas gravitatorias con una amplitud y frecuencia características. Gracias a LIGO, hemos podido “escucharlas” por primera vez. Crédito: LIGO

Sin duda, GW150914 es uno de los descubrimientos más trascendentes de la historia de la física. Dos agujeros negros se fusionan en uno solo. Vacío más vacío dando lugar a más vacío. Nada se ve en el proceso, nada se ilumina durante los aproximadamente 200 ms de duración de la señal detectada. En esos últimos 8 ciclos de la órbita espiral, la frecuencia de la señal aumenta de 35 Hz a 150 Hz. Si lo pudieramos escuchar sería como escuchar el sonido del silencio.

El run O1 de los detectores LIGO avanzados finalizó el pasado 19 de Enero de 2016. Además de GW150914, el run nos obsequió con una nueva detección de la onda gravitatoria producida en la fusión de otros dos agujeros negros, GW151226 (en el “Boxing Day”), y con un tercer candidato, LVT151012, cuya significancia estadística, sin embargo, no alcanzó el valor necesario para poder descartar una posible falsa alarma. Es destacable que con los datos de las dos detecciones confirmadas, no se observa ninguna desviación de la descripción que la Relatividad General proporciona para el problema de dos cuerpos. Las observaciones están comenzando a proporcionar información astrofísica sobre el ritmo de formación de agujeros negros en sistemas binarios e indican que los próximos runs de observación de la red de detectores avanzados, O2 y O3, conducirán a muchas más detecciones. En la actualidad, los dos detectores LIGO están ya tomando datos correspondientes al run O2, que comenzó el pasado 30 de Noviembre de 2016 y se prolongará hasta mediados de 2017. Se espera que el detector europeo Virgo avanzado se incorpore a O2 en fechas próximas.

Para concluir, conviene echar la vista atrás. Las ondas electromagnéticas nos han permitido reconocer el Universo visible en todo el rango del espectro electromagnético, gracias a la interacción entre la materia y la radiación. Además de los fotones, existen otros mensajeros cósmicos que pueden proporcionarnos canales adicionales de observación para conocer cómo es nuestro Universo, los neutrinos (como los ya detectados en Febrero de 1987 procedentes de la supernova 1987A) y las ondas gravitatorias. Hizo falta el genio de Albert Einstein para predecir la existencia de dichas ondas, cuestionadas durante mucho tiempo y esquivas a su detección durante un siglo. Desde hace décadas, su detección ha sido uno de los mayores desafíos de la física téorica y experimental, para la cual se han hecho esfuerzos sin precedentes en el campo de la gravitación. Dichos esfuerzos han dado sus frutos: en la actualidad, cumplido el centenario de la formulación de la teoría de la Relatividad General, el monumental legado intelectual de Einstein está siendo completado con el nacimiento de la astronomía de la radiación gravitatoria, donde, quizá, todo esté de nuevo por descubrir. Detectar las ondas gravitatorias no ha sido como encontrar una aguja en un pajar. En comparación, encontrar literalmente una aguja en un pajar es un juego de niños.

Lectura recomendada:

1. “Einstein’s unfinished symphony – Listening to the sounds of space-time”, Marcia Bartusiak, Joseph Henry Press, 2000. (Traducción española: “La sinfonía inacabada de Einstein”, Editorial Océano Ambar, 2002).

2. “Black hole blues and other songs from outer space”, Janna Levin, Knopf, 2016. No hay versión en español.

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Autor: Jose Antonio Font

Jose Antonio Font es Profesor Titular del Departamento de Astronomía y Astrofísica de la Universitat de València, del cual es actualmente su Director. Su área de investigación es la Astrofísica Relativista, concretamente el estudio de objetos compactos (estrellas de neutrones y agujeros negros) y radiación gravitatoria. En el periodo 2009-2013 Font fue Presidente de la Sociedad Española de Gravitación y Relatividad. Es miembro de la Virgo Collaboration y coordina las actividades del Valencia Virgo Group en dicha colaboración.

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