ONDAS GRAVITATORIAS
EL COMIENZO
Joseph Weber es un héroe trágico. Después de anunciar equivocadamente la observación de ondas gravitacionales, pasó el resto de su vida defendiéndose de la comunidad científica. No vivió lo suficiente para ver el descubrimiento al que dedicó toda su vida, ni presenció su redención cuando LIGO lo reconoció como pionero al anunciar la existencia de ondas gravitacionales.
Una consecuencia del modelo geométrico de la interacción gravitacional es el hecho de que cuando un cuerpo con masa no está en reposo o movimiento uniforme sino acelerado, produce perturbaciones en el espacio-tiempo. Estas perturbaciones se propagan como ondas a la velocidad de la luz. Las ondas gravitacionales se diferencian de otras ondas en algunos aspectos: no necesitan de un medio para viajar, como las ondas de sonido que se propagan en el aire, y a diferencia de las ondas electromagnéticas pueden atravesar la materia. Pueden pasar a través de planetas y de galaxias enteras y, puesto que los objetos son transparentes para las ondas gravitacionales, al medirlas nos pueden dar información de los procesos que los originaron.
Sin embargo, la producción de perturbaciones en el espacio-tiempo requiere de grandes masas y procesos violentos. La explosión de una supernova en alguna galaxia cercana a la nuestra puede liberar mucha energía en un tiempo muy corto pero la perturbación que imprime en el espacio-tiempo es tan pequeña que cambiaría la distancia entre el Sol y la Tierra en una distancia equivalente al tamaño de un protón.
Un pionero en la búsqueda de ondas gravitacionales fue Joseph Weber, quien comenzó sus investigaciones en los años sesenta con un cilindro de aluminio de dos metros de largo y uno de ancho. Su idea era que estas barras podrían eventualmente absorber la energía de una onda gravitacional y vibrar con su frecuencia. Anteriormente, Joseph Weber había estado en varias ocasiones en el curso de grandes acontecimientos, pero por alguna razón estos no se encontraron con él . Después de la Segunda Guerra Mundial, en la que participó activamente, fue contratado en la Universidad de Maryland como profesor. Entonces buscó a George Gamow cuando éste predijo la existencia de un Fondo de Radiación de Microondas que provenía del Universo temprano.
La Radiación Cósmica de Fondo se originó cuando el Universo tenía trescientos ochenta mil años. En ese momento la temperatura ya era lo suficientemente baja como para que los protones comenzaran a atrapar electrones formando los primeros átomos. Con esto, los electrones se desacoplaron de la radiación del plasma que fue liberada para constituir un ruido de fondo que está presente y podemos percibir. Weber se propuso entonces dedicar su carrera a detectar esta radiación que sin duda proporcionaría valiosa información del origen del Universo. Sin embargo, Gamow lo ignoró y más tarde dos ingenieros en electrónica descubrieron accidentalmente la Radiación Cósmica de Fondo, con lo que obtuvieron el Premio Nobel de Física.
Entonces Weber se encaminó hacia la Física atómica y vio la posibilidad de construir lo que después sería el MASER. Esta denominación deriva del acrónimo en inglés: Microwave Amplification by Stimulated Emision of Radiation. Como su nombre indica, el MASER es un amplificador de radiación de microondas por emisión estimulada y es predecesor del láser que ahora se utiliza ampliamente.
Desafortunadamente para él, otros investigadores lo consiguieron antes y fueron reconocidos con el Premio Nobel. Fue entonces cuando Weber vio en las ondas gravitacionales un campo de investigación posible en el que podría, por fin, ser el primero. Después de muchos cálculos y un intenso trabajo de diseño construyó el primer detector de ondas gravitacionales, y en 1969 anunció que había observado un evento. Aseguró que una onda gravitacional había pasado por el cilindro y que él había medido la diminuta vibración que dejó a su paso.
Un cilindro de aluminio como el de Weber pesaba una tonelada y media. Si una onda gravitacional lo atravesara en dirección perpendicular a su eje vibraría haciendo que la barra se alargase y luego se hiciera más corta. Weber había colocado cristales piezoeléctricos en la superficie del cilindro. Los cristales piezoeléctricos tienen la propiedad de generar una pequeña corriente eléctrica cuando se los somete a presiones o tensiones mecánicas. Existen cristales piezoeléctricos naturales y sintéticos; ambos son muy usados en diversas aplicaciones en las que es importante traducir un cambio mecánico en una señal eléctrica. Estos cristales debían captar los cambios pequeños en el tamaño del cilindro generando una corriente eléctrica que era amplificada en cientos de miles de veces. Joseph Weber colocó otra estación a mil kilómetros de Maryland, en el Laboratorio Nacional de Argón, cerca de Chicago, para eliminar el ruido que pueden producir los eventos sísmicos o el ruido local de las actividades humanas.
Un evento local no tendría por qué ocasionar una señal en el otro detector y podría ser descartado como ruido. En cambio, una onda gravitacional produciría una señal en ambos detectores. Después de anunciar lo que él consideraba su primer evento de ondas gravitacionales, Weber se convirtió en una celebridad. Su rostro apareció en las portadas de las revistas, la NASA consideró la posibilidad de poner uno de sus detectores en la Luna y el prestigioso Robert Oppenheimer le dijo: «El trabajo que usted está haciendo es el más emocionante de los que se hacen hoy día en el mundo». Weber nunca olvidaría este comentario.
Los científicos del mundo entero comenzaron a construir aparatos como el de Weber, ansiosos por observar las ondulaciones del espacio-tiempo, que en aquel entonces tenían un carácter más esotérico que hoy. Desafortunadamente nadie logró detectar nada. En cambio, Weber creyó medir eventos que provenían del centro de la Galaxia en 1969, 1987 y 1996. Por mucho tiempo se siguieron construyendo aparatos como el de Joseph Weber y pronto los diseños mejoraron en sensibilidad. Un incremento notable se consigue enfriando el cilindro a -269 ºC. Con electrónica más fina y mejores métodos para analizar los datos se llegó a conseguir una sensibilidad tal que podría medir cambios enla longitud del cilindro del orden de 10-15 cm.
En el CERN (Centro Europeo de Investigaciones Nucleares) que actualmente aloja al acelerador más potente de todos los tiempos, el Gran Colisionador de Hadrones, se tuvo hasta hace poco el primer detector criogénico del mismo tipo de los detectores de Weber. Un detector criogénico es aquel que opera a temperaturas muy bajas. El sistema de enfriamiento lo conserva a temperaturas de hasta -196 ºC o menos. Los detectores de Weber enfriados de esta manera eran más sensibles que los que operaban a temperatura ambiente.
Pocos en el CERN sabían que en un silencioso pabellón se encontraba un contenedor cilíndrico de tres metros de longitud con una barra de aluminio en su centro. El aislamiento perfecto del mundanal ruido era esencial para la barra de metal cuidadosamente velada por docenas de sensores. Así eran, en los años ochenta, los detectores que buscaban escuchar lo que ocurre en el cielo.
El detector Explorer del CERN fue desmontado en 2009. Se lo conocía también como la «oreja cósmica» y por más de veinte años esperó una señal de la bóveda celeste, que nunca llegó. Una onda gravitacional habría producido vibraciones en la barra enfriada con helio a 2 Kelvin de la misma manera como lo haría el golpe de un martillo. Sin embargo, la sensibilidad del detector no fue suficiente para ver las señales que hoy sabemos que existen y son muy pequeñas.
Cuando LIGO entró en funcionamiento en 2004, Explorer comenzó a contar sus días. El detector hoy es una pieza de museo en Cascina, Italia. Mientras tanto, LIGO celebra lo grandioso de un diseño espectacular capaz de sentir la menor vibración en los confines del Universo.
Joseph Weber nunca reconoció el error en su medición. Continuó por muchos años operando su laboratorio con sus propios fondos. Criticado por todos, se resistió siempre a admitir una equivocación en sus mediciones. Una mañana fría del año 2000, Weber fue a limpiar su laboratorio y accidentalmente resbaló con el hielo que cubría el suelo frente al edificio, golpeándose la cabeza. Cuando se lo encontró inconsciente fue llevado al hospital, donde murió algunos meses después.
Al poco tiempo de que Weber anunciara su famoso evento en 1969, Joseph Taylor y Russell A. Hulse descubrieron un sistema de estrellas en rotación. Apenas habían transcurrido cinco años del controvertido anuncio de Weber cuando estos investigadores hicieron uso de la antena de Arecibo en Puerto Rico para detectar los pulsos de radio que emitía una estrella de neutrones. Taylor y Hulse pasaron cuatro años más estudiando el nuevo sistema binario cuando notaron que este giraba cada vez más rápido, pero con una órbita cada vez más pequeña. Esta peculiar danza de las estrellas es considerada la primera evidencia indirecta de ondas gravitacionales. No es posible explicar el cambio en la rotación del sistema sin que este emita energía que distorsiona el espaciotiempo.
Taylor y Hulse recibieron el Premio Nobel en 1993 por anunciar la primera evidencia indirecta de la existencia de ondas gravitacionales.
LA PRIMERA OBSERVACION DIRECTA
Mientras Hulse y Taylor estudiaban el sistema binario PSR J1915+1606, en los años setenta, Kip Thorne y Rainer Weiss conversaban sobre la posibilidad de detectar ondas gravitacionales de manera directa. Kip Thorne trabajaba en Caltech y por entonces reclutó a un experimentado físico británico llamado Ronald Drever (1931-2017). Ronald había contribuido ya de manera importante en el desarrollo de técnicas para la medición precisa de la Teoría de la Relatividad. Rainer Weiss, en MIT9, había sido uno de los que inventaron la técnica de medición de ondas gravitacionales por interferometría, que consiste en juntar ondas diferentes para ver la manera como estas se combinan dando otra que crece o se anula de acuerdo con la suma de las que la originan.
Por la naturaleza de sus programas de investigación, la Fundación Nacional para la Ciencia (National Science Foudation, en inglés) instó a los dos grupos a unirse en 1984 y así surgió el proyecto LIGO (Laser Interferometry Gravitational Wave Obervatory). Sin embargo el grupo tenía grandes problemas de organización, por lo que en 1994 se llamó a un nuevo director del proyecto. El físico de partículas elementales de Caltech, Barry Barish, con amplia experiencia en la organización de proyectos de Gran Ciencia, consiguió que los grupos de Caltech y MIT trabajaran juntos. La colaboración creció, la organización se hizo más sofisticada y las ideas comenzaron a tomar forma.
La llamada Gran Ciencia surgió durante la Segunda Guerra Mundial y se consolidó después como la única opción para verificar algunas ideas científicas que requerían de grandes equipos, enormes construcciones y una organización sofisticada. Para el físico teórico Kip Thorne, el cambio de estilo en el trabajo independiente al de una organización de personal en colaboración fue doloroso, pero desde que llegó Barry Barish a la dirección del proyecto todo se desarrolló sin contratiempos. Así se construyeron las gradas del teatro desde las que se contemplaría, veinte años más tarde, la danza fatal de los agujeros negros.
El anfiteatro del CERN no obedece a la etimología. No es un lugar donde se pueda ver el escenario por los dos lados, pero si es el lugar que ha reunido al mayor número de exaltaciones que rodean los anuncios de grandes descubrimientos científicos. Un jueves por la tarde, en el invierno de 1983, se anunció ahí el descubrimiento del bosón W, responsable de la Fuerza débil. Esta es una de las cuatro Fuerzas fundamentales junto con la Fuerza electromagnética, la Fuerza fuerte y la Fuerza de Gravedad. El anuncio presagiaba una llamada del comité Nobel en Estocolmo y efectivamente esta llego al año siguiente. No era para menos, con ese descubrimiento se descifraba la naturaleza de una de las interacciones fundamentales al tiempo que ponía en claro que por lo menos dos de ellas: la Fuerza Electromagnética y la Fuerza Débil son aspectos de una sola Fuerza a la que se ha denominado Electrodébil.
También en un jueves por la tarde y en la mitad del invierno, se anunció, en la misma sala, uno de los códigos fundamentales de otra de las cuatro Fuerzas, la de la gravedad. El 11 de febrero de 2016 se anunció en todo el mundo de manera sincronizada la detección directa de ondas gravitacionales. No es resultado del trabajo que se realiza en el CERN, pero aquí se comunican casi siempre, de manera simultánea, los hallazgos del mundo de la Física.
Mientras el físico Barry Barish describía el trabajo de LIGO, todos imaginaban esas ondulaciones del espacio-tiempo, que se propagan como lo hacen las olas en el agua, alejándose de la perturbación que las originó. Si pudiéramos percibir estas ondas, veríamos cómo la distancia entre los científicos allí reunidos se acortaría y se alargaría rítmicamente. No sería el efecto del movimiento producido por un esfuerzo corporal, sino el resultado de un evento lejano en el espacio y en el tiempo.
Existen varios detectores de ondas gravitacionales en el mundo, pero el aparato más sensible está en el observatorio LIGO. Consiste en dos estaciones construidas con la colaboración de mil participantes de dieciséis países. El experimento LIGO utiliza un instrumento en el estado de Washington y otro en Luisiana. Este último es un interferómetro con dos brazos en condiciones de vacío y una longitud de cuatro kilómetros cada uno. El de Washington es similar pero los brazos miden dos kilómetros.
Se conoce como interferómetro al aparato que obtiene información a partir de la perturbación que se produce cuando dos ondas típicamente electromagnéticas —como la luz— se juntan. Se puede ver cómo el curso de una de las ondas se altera cuando la otra se interpone en su camino. La intensidad de la onda original cambia cuando otra onda se entrevera con ella y a esto se le conoce como interferencia. Al aparato que se construye para ver con detalle los efectos de la mezcla de ondas se lo llama interferómetro.
Con la duplicación del arreglo se pretende identificar las falsas señales provenientes de perturbaciones sísmicas que solo dejaran señal en uno de ellos. Las dos estaciones están separadas por más de tres mil kilómetros. Una se encuentra en Hanford, al noroeste de los Estados Unidos, y la otra en Livingstone, cerca de la desembocadura del rio Misisipi en la zona pantanosa junto a la costa del Golfo de México.
Una onda gravitacional modifica la longitud de los brazos, comprimiendo uno y alargando al otro, por una cantidad microscópica pero suficiente para producir un patrón de interferencia al momento de sumar la luz de los haces que van y vienen en dirección perpendicular. La colaboración LIGO aseguró, a través de un comunicado de prensa, que el arreglo experimental puede revelar contracciones menores al tamaño de un protón, para ser precisos: diez mil veces más pequeño que un protón, es decir 10-19 metros. La señal captada la madrugada de 14 de septiembre de 2015 empezó con oscilaciones de treinta y cinco ciclos por segundo y fue aumentando hasta los doscientos cincuenta ciclos por segundo. Todo esto duró la cuarta parte de un segundo. Otros interferómetros del mundo, como VIRGO que se encuentra cerca de Pisa en Italia y el GEO600 en Hannover, Alemania no estaban operando ese día, por lo que no se pudo confirmar la llegada del pulso intergaláctico con mediciones alternativas.
El cambio de longitud para este evento fue de 4 × 10-18 metros en el detector. Esto es una milésima del tamaño de un protón. Curiosamente, el experimento no había empezado aún a tomar datos cuando los sorprendió el breve sube y baja de la perturbación. La colaboración se inició el 18 de septiembre con el registro de fenómenos en modo de lectura. Tres días antes, ingenieros, técnicos y científicos estaban trabajando en la preparación del instrumento. Fue entonces que en medio de las pruebas registraron el pulso cósmico.
Después de veinte años de búsqueda y mejoras al detector, la colaboración envió para su publicación en una revista especializada el trabajo titulado: «Observación de ondas gravitacionales en la colisión de dos agujeros negros». En este artículo se explica que el 14 de septiembre de 2015 a las 5:51 de la mañana, sus dos detectores captaron la señal de una onda gravitacional. Por las características del evento debió tratarse de los rastros que dejó la fusión de dos agujeros negros localizados fuera de nuestra galaxia. Las masas de los agujeros negros debieron ser de veintinueve y treinta y seis veces la del Sol, de manera tal que al unirse formaron un agujero de sesenta y dos masas solares.
En el proceso se liberaron el equivalente en energía a tres masas solares. Esta energía fue emitida en ondas gravitacionales que llegaron hasta nuestro planeta la madrugada de ese día. El detector es sensible a frecuencias entre treinta Hertz por lo bajo y diez mil Hertz por lo alto. Es decir que vibraciones por abajo de treinta oscilaciones por segundo no serán percibidas, de la misma forma que aquellas vibraciones que van y vienen más de diez mil veces por segundo no serán observadas. El oído humano puede escuchar frecuencias que van desde los veinte Herz y hasta los veinte mil Hertz aproximadamente, pero hay que tener en cuenta que para el oído se trata de vibraciones en el aire. El detector LIGO es sensible a esas frecuencias de cambio del espacio-tiempo. La colaboración está en proceso de hacer modificaciones para extender su sensibilidad a frecuencias aún más bajas de diez Hertz. Los ruidos locales se reducen de manera drástica porque los espejos que reflejan al haz están colgando en cuatro niveles, como péndulos múltiples: un péndulo que se desprende de otro y este a su vez de otro más y así sucesivamente.
Las ondas gravitacionales modifican la longitud de los brazos, comprimiendo uno y alargando al otro, de una manera microscópica pero suficiente para producir un patrón de interferencia al momento de sumar la luz de los haces que van y vienen en dirección perpendicular. Para eso, los espejos del detector están pulidos a un nivel de precisión nanométrica. Aunque el nivel conceptual puede ser más complejo, es útil, en ocasiones, pensar en la luz como formada por partículas llamadas fotones. Los fotones son la manifestación corpuscular del campo electromagnético (luz). Puede imaginarse a la luz láser que se utiliza en el detector LIGO como formada por multitud de fotones y para darse una idea de la precisión del aparato se puede decir que los materiales del espejo absorben solo uno de cada tres millones de fotones que el láser le envía.
De esta forma se consiguió, por primera vez, demostrar la existencia de las ondas gravitacionales, uno de los hallazgos más importantes de la Ciencia en los últimos años.
© 2023 JAVIER DE LUCAS