Mirar con Nuevos Ojos (II)

Como os prometí la semana pasada, procedo hoy a resumiros la conferencia sobre detección de ondas gravitacionales que Barry Barish dio, entre otros auditorios a su paso por España, en el Museo de Ciencias de Valencia. Su acento era muy fácil de entender, así que no me hizo falta ponerme los auriculares con la traducción simultánea. Aparte de explicar los conceptos de forma bastante clara, las diapositivas de su presentación eran también muy ilustrativas. Por ejemplo, había preparado una comparación con ayuda de Google Maps para que pudiéramos hacernos una idea de los tamaños involucrados: en los instantes previos a una fusión podríamos imaginarnos un agujero negro de unas treinta y cinco masas solares, del tamaño del área metropolitana de Madrid, y otro de treinta masas solares tan grande como el área metropolitana de Valencia, con una distancia entre ellos similar a la que hay de Madrid a Valencia, y acercándose en dos trayectorias en espiral a la mitad de la velocidad de la luz, girando a razón de unas cien vueltas por segundo. Al final quedaría un solo agujero negro más grande, y parte de la masa se perdería al transformarse en la energía de las ondas gravitacionales emitidas.

Que quede bien claro que los cambios en el Espacio, en las longitudes, no pueden medirse por ejemplo con una regla, y no solo porque sean extremadamente pequeños, sino también porque la regla misma se comprimiría o estiraría igual que los demás objetos a su alrededor. Para percibir esta deformación en el Espacio nuestro experimento tiene que basarse en fenómenos que impliquen haces de luz (recordemos que la luz juega un papel fundamental en las teorías de Einstein). Los detectores del proyecto LIGO constan de dos largos brazos en forma de L y hacen uso de un método interferométrico que utiliza un láser, otro de esos inventos que en los años sesenta parecía no servir para nada y hoy en día nos rodea por todas partes, desde la electrónica del hogar y las comunicaciones hasta la medicina o la industria.

El haz de láser se emite y su potencia es amplificada, incidiendo luego sobre una lámina semireflectante colocada a cuarenta y cinco grados, de modo que parte de la luz (en este caso infraroja) pasa en línea recta a través de la lámina y el resto se refleja a un ángulo de noventa grados. Tenemos así dos haces perpendiculares que en ausencia de perturbaciones gravitacionales deberían viajar exactamente la misma distancia de ida y vuelta a los espejos al final de ambos brazos y pasar de nuevo por la lámina semireflectante, combinándose en una interferencia constructiva que, aunque normalmente da una intensidad máxima de la luz recibida, en este caso se transforma en una intensidad nula respecto a la cual es más fácil apreciar pequeños cambios.

Cuando las ondas gravitacionales atraviesan el detector, la longitud de los dos brazos oscila de modo distinto (uno se acorta y el otro se alarga alternándose el efecto, como explicábamos la semana pasada), con lo que la distancia recorrida por ambos haces láser no es exactamente la misma, dando lugar este desfase a que la interferencia no sea del todo constructiva y lleguen (tras la correspondiente transformación) unos pocos fotones al detector de luz. En resumen, lo que se monitoriza son minúsculos aumentos respecto a una intensidad nula en un fotodiodo, según la diferencia de fase entre los dos caminos recorridos por la luz. De ahí el acrónimo LIGO: Observatorio de ondas Gravitacionales mediante Interferometría Láser.

Las deformaciones espaciales producidas por una colisión típica de dos agujeros negros pueden ser del orden de 10^-21 metros por cada metro de longitud inicial, lo que para cuatro kilómetros (la longitud de los brazos de los detectores) daría un total de unos 10^-18 metros, la milésima parte del tamaño de un protón o, dicho de otro modo, la millonésima de la millonésima de la millonésima de un metro… ¡Alucinante! Esto implica que, como ya dijo Einstein en su día, la precisión del instrumental ha de ser increíble. El desfase entre los dos haces láser puede ser generado no solo por el paso de ondas gravitacionales, sino también por otros factores de tipo mecánico o electromagnético como vibraciones en los espejos o dispersión de los fotones de los haces, con lo que han de tenerse en cuenta un montón de detalles técnicos para eliminar todas las causas que puedan dar lugar a falsos positivos.

Desde 2001 hasta su desmantelamiento en 2010 funcionó y recopiló datos una versión inicial más sencilla de LIGO, que aunque no detectó ningún evento sí fue un fantástico banco de pruebas para poder mejorar los componentes. Entre 2008 y 2015 tuvo lugar la construcción e instalación de la versión avanzada. El dispositivo actual incluye un gran vacío, solo superado en volumen por el del acelerador de partículas LHC del CERN, para evitar la dispersión de los fotones del haz láser o las colisiones de partículas sueltas con los espejos que puedan moverlos ligeramente; componentes ópticos de gran calidad, con las superficies de los pesados espejos pulidas con una precisión de átomos; amortiguadores pasivos (los espejos cuelgan de un cuádruple péndulo) y compensación activa, como la de los auriculares más modernos, para cancelar las oscilaciones sísmicas o incluso la generadas por el paso de un coche en las proximidades; resonadores ópticos de Fabry-Perot para que los haces láser recorran los brazos doscientas ochenta veces antes de combinarse, dando una longitud efectiva de 1.120 km para cada brazo…

El objetivo de todos estos refinamientos es reducir el nivel de ruido que enmascararía la detección de eventos producidos en el espacio exterior. La versión avanzada de los detectores es diez veces más sensible que la inicial; si mejoras la sensibilidad a una determinada frecuencia de las ondas gravitatorias en un factor diez esto te permite no solo apreciar colisiones y otras alteraciones más leves a la misma distancia de la Tierra, sino también colisiones de igual magnitud en una región del espacio mil veces mayor en volumen. Las correcciones introducidas en la versión avanzada fueron tan certeras que tan solo unos días después de su puesta en funcionamiento se produjo la primera observación fiable.

El proyecto LIGO consta de dos detectores, uno en una región desértica del estado de Washington, al noroeste de los Estados Unidos, y otro en una zona pantanosa de Louisiana, al sudeste. Resulta curioso pensar que el proyecto ha surgido de una colaboración entre el CalTech y el MIT, que están en California y Boston, precisamente las otras dos esquinas de los USA. Como ya hemos dicho, cada detector tiene dos brazos perpendiculares de 4 km de longitud. Los tubos de vacío por los que discurre el láser tienen 1,2 m de diámetro, y están protegidos por bóvedas de hormigón. En el punto donde se cruzan los brazos el instrumental tiene unos 5 m de altura. Ambos dispositivos están a una distancia de 3.030 km, que a la velocidad de la luz a la que se propagan las ondas sería recorrida en cuestión de milisegundos.

A partir de 2017 se les ha incorporado a estos dos el detector VIRGO, cerca de Pisa, en Italia; la primera observación conjunta se produjo el 14 de agosto de ese año. Con tres detectores, analizando la polarización y el retardo entre las distintas recepciones, se puede triangular mucho mejor de qué dirección proceden las perturbaciones en el tejido del Espacio-Tiempo. En otros puntos del Planeta (Alemania, Japón, India…) se están proyectando, construyendo o poniendo a punto otros dispositivos similares con los que en el Futuro se compartirán los datos para un análisis más eficiente.

En los últimos tres años se han confirmado cinco fusiones de agujeros negros y una fusión de dos estrellas de neutrones, menos masivas. La primera señal, con dos agujeros negros especialmente grandes, nos llegó el 14 de septiembre de 2015, prácticamente un siglo después de que Albert Einstein hiciese su predicción sobre el papel y pocos días después de que el dispositivo se pusiera en marcha, como decíamos antes. Ignorando el ruido de bajo nivel, lo que se observa es que a medida que los dos objetos se acercan en su doble espiral la amplitud y frecuencia de las ondas gravitacionales aumenta poco a poco, hasta que se produce la fusión y la amplitud decrece abruptamente.

La forma de la gráfica obtenida permitió averiguar por ejemplo las masas aproximadas de los objetos en colisión (las 30 y 35 masas solares de las que hablábamos arriba) y se estimó que el choque tuvo lugar hace unos mil quinientos millones de años. Las perturbaciones en Washington y Louisiana resultaron muy parecidas entre sí pero con el retardo esperable para una propagación a la velocidad de la luz (siete milisegundos de diferencia, pasando en este caso primero por Louisiana y luego por Washington), y además eran muy similares a lo previsto por las ecuaciones de Einstein: un resultado francamente satisfactorio para todos los científicos implicados, que validó décadas de duro trabajo.

La última detección de la que tenemos noticia por el momento (observaciones posteriores podrían estar analizándose ahora mismo) es la de la colisión de dos estrellas de neutrones, realizada el 17 de agosto de 2017 por LIGO y VIRGO. Los agujeros negros de menor tamaño o las estrellas de neutrones permiten obtener datos de mejor calidad porque la oscilación no es tan rápida y dura un poco más, hasta cien segundos en lugar de unas pocas décimas de segundo. Así como las colisiones de agujeros negros solo pueden detectarse mediante las ondas gravitacionales, las estrellas de neutrones también emiten luz, de modo que en este caso los telescopios en distintos rangos del espectro electromagnético también captaron el evento: una oleada de rayos gamma llegó a la Tierra dos segundos después del pico de ondas gravitacionales (tal vez por el retardo de las reacciones de fusión de los neutrones tras la colisión estelar), y muchos otros observatorios de distintos tipos miraron en esa dirección en los días siguientes. No se detectaron neutrinos, pero se les seguirá prestando atención en próximos eventos de este tipo. Es posible que al fundirse ambas estrellas, en lo que se conoce como una explosión de kilonova, se hayan convertido en un pequeño agujero negro… Esta es pues la primera observación de un evento cósmico simultáneamente mediante ondas gravitacionales y electromagnéticas. A la acción coordinada de ambos tipos de observatorios se le llama astronomía multi-mensajero, no ya solo multi-onda.

A pesar de ser una verdadera proeza del intelecto humano, algunos podrían preguntar: ¿qué utilidad real tienen estos detectores? Pues por ahora nos están permitiendo hacer ciencia básica, es decir, descubrir cómo funciona el Universo. Los agujeros negros no dejan escapar la luz y por eso hasta ahora había sido muy difícil aprender sobre ellos solo a partir de las ondas electromagnéticas que nos llegan desde fuera; a partir de ahora será más fácil. En estos tres años se ha descubierto, por ejemplo, que las colisiones de agujeros negros son más frecuentes de lo esperado. También parece que sus masas son mayores de lo que se pensaba por los estudios de rayos X: una estrella de tres masas solares ya podría formar un agujero negro, y hasta ahora los científicos pensaban que no había muchos con más de veinte masas solares, pero el análisis de los datos de las cinco fusiones detectadas hasta ahora arroja masas de veinticinco, treinta o incluso más masas solares, que al combinarse dan lugar a otras aún mayores… Habrá que investigar el porqué; ya dijimos una vez que en la mansión del Conocimiento cada puerta abierta te lleva a una nueva sala con varias puertas aún por abrir, cada respuesta obtenida abre a su vez varios interrogantes nuevos… y ahí está precisamente la gracia.

Con los datos recopilados podremos investigar de qué distintas formas se crean los agujeros negros: ¿solo tras el colapso de una estrella? ¿en el Big Bang? ¿tal vez de alguna otra manera? Tengamos en cuenta que los fotones de luz empezaron a viajar libremente por el Universo 380.000 años después del Big Bang, y por lo tanto la astronomía clásica no nos permite franquear esa barrera, pero con las ondas gravitacionales sí podremos buscar una confirmación de las teorías acerca de lo qué ocurrió antes de ese momento, aunque para ello necesitaremos actualizaciones adicionales en los detectores para mejorar su sensibilidad… Podremos por tanto averiguar más cosas sobre el origen del Universo y la misma naturaleza del Espacio-Tiempo… Es como tener un nuevo sentido con el que explorar el Cosmos, con el que percibir todo lo que nos rodea, incluyendo detalles de los que antes no éramos conscientes.

Hasta 2020 se seguirán introduciendo mejoras técnicas en los detectores de LIGO que permitirán un mayor número de observaciones, y empezarán a funcionar detectores en otras partes del mundo. A los resultados experimentales obtenidos les seguirán en los próximos años, tras un análisis cuidadoso y la correspondiente obtención de conclusiones fiables, un montón de nuevos descubrimientos que ampliarán los horizontes del Conocimiento humano, tal y como ocurrió la primera vez que se usó un telescopio o un microscopio… Y tarde o temprano, como pasó con las ecuaciones relativistas o con el láser, llegarán las aplicaciones prácticas: algunas de ellas imperceptibles aun siendo útiles, y otras bastante más espectaculares que a los que hayamos vivido esta aventura desde el principio nos parecerán auténtica magia… Y si no, al Tiempo.