Premio Nobel de Física 2017 fue dado al confirmar una predicción hecha 101 años antes. En 1916, Albert Einstein, cuyas teorías de la relatividad especial y general revolucionaron la comprensión científica de la física a escala de estrellas y galaxias, predijo que, en determinadas circunstancias, la estructura misma del universo debería tambalearse y flexionarse.
Los culpables son las ondas gravitacionales, que son para la gravedad lo que las ondas de radio o la luz visible son para el electromagnetismo. En 2015, las ondas gravitacionales se observaron directamente por primera vez. LIGO, un observatorio estadounidense con sede en el estado de Washington, en el noroeste de ese país, y en Luisiana, en el sureste, detectó ondas producidas por un par de agujeros negros en colisión, cada uno con unas 30 veces la masa del sol. Esto produjo ondas en el espacio-tiempo con una frecuencia de alrededor de 150 Hz, o ciclos por segundo, y una longitud de onda de alrededor de 2000 km.
Esta detección marcó el comienzo de la era de astronomía de ondas gravitacionales, que usa la gravedad para examinar el universo de la misma manera que la astronomía convencional usa la radiación electromagnética, desde la luz visible hasta las ondas de radio y los rayos gamma. El 29 de junio, cuatro colaboraciones lideradas por investigadores de América, Australia, China y Europa afirmaron haber impulsado el estado de este arte emergente. Anunciaron la detección tentativa de nuevas ondas gravitacionales de frecuencia ultra baja que podrían ofrecer información sobre algunas de las partes del universo más difíciles de estudiar.
La mayoría de los detectores de ondas gravitacionales son interferómetros. Funcionan dividiendo un haz de luz en dos y enviando cada mitad a uno de un par de brazos largos y perpendiculares. Al final de los brazos, los pulsos de luz se reflejan de regreso a la fuente, donde se recombinan. Si este viaje no se interrumpe, los rayos que regresan se cancelarán entre sí cuando se vuelvan a juntar. Si no lo hacen, sugiere que alguna perturbación, a veces un mero temblor sísmico, pero ocasionalmente una onda gravitatoria pasajera, los perturbó en su viaje.
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Cazar ondas gravitacionales requiere grandes instrumentos. Los brazos de LIGO tienen 4 km de largo; las de Virgo, instrumento europeo, abarcan 3 km. Y cuanto menor sea la frecuencia de las ondas que desea detectar, más alto debe ir. Las ondas con una frecuencia de alrededor de 1 Hz, por ejemplo, requieren detectores más grandes que la propia Tierra. Es por eso que la Agencia Espacial Europea está construyendo una nave espacial llamada LISA, que debe volar a fines de la década de 2030. Utilizará un sistema de láseres y espejos espaciales para crear «brazos» de 2,5 millones de kilómetros de largo.
Pero el resultado más reciente se refiere a ondas con frecuencias en el rango de los nanohercios, miles de millones de veces incluso más pequeñas. Para detectarlos, los astrónomos deben confiar en los pulsos de luz creados por la Madre Naturaleza, específicamente, por los púlsares. Son estrellas rotas colapsadas que emiten destellos de luz con regularidad metronómica. Si una onda gravitacional que pasa distorsiona una región del espacio-tiempo entre el púlsar y la Tierra, algunos pulsos llegarían antes o después de lo esperado. Monitorear cúmulos de púlsares podría, en efecto, crear interferómetros con brazos del tamaño de un interestelar.
Y ya se han detectado distorsiones de frecuencia ultra baja. Hacer esto no fue fácil. Se necesitó mucha paciencia, ya que los resultados de los diversos observatorios surgieron a lo largo de los años. Algunos de los datos incluidos en la encuesta de esta semana se recopilaron hace más de 25 años.
Ninguna de las dos colaboraciones cree tener suficiente evidencia para un descubrimiento concluyente todavía. Los físicos miden la importancia de un resultado usando un término estadístico llamado sigma. Una puntuación de 5, el estándar de oro, indica aproximadamente una posibilidad entre 3,5 millones de que lo que parece ser un resultado sea en realidad el producto del azar. Individualmente, las cuatro detecciones tienen valores sigma entre 2 y 4,6. Pero combinar sus datos puede llevarlo a la marca 5 sigma en un año. “No tengo ninguna duda de que es solo cuestión de tiempo”, dice Vivien Raymond, astrofísica de la Universidad de Cardiff que no participó en el trabajo.
La fuente más probable de las ondas, dice Alberto Sesana de la Universidad de Milano Bicocca, son pares de agujeros negros supermasivos, cada uno con una masa millones de veces la del sol. Se encuentran más comúnmente en los centros de las galaxias y se cree que se unen cuando estas galaxias chocan y se fusionan. Durante miles de millones de años, se predice que tales emparejamientos serán frecuentes, produciendo un «zumbido» gravitacional de fondo en el cielo. Aún así, dice Sesana, «esta sería la primera prueba observacional de que los binarios de agujeros negros supermasivos realmente ocurren en la naturaleza».
Hay otra posibilidad, mucho menos probable pero mucho más emocionante. Es casi concebible que la nueva señal sea el primer atisbo de la historia más temprana del universo, cuando un fenómeno conocido como inflación, en el que el tamaño del universo aumentó brevemente rápidamente, habría dado al espacio-tiempo su sonido.
Si esto es realmente lo que se detectó, es difícil pensar en una demostración más dramática del poder de la astronomía gravitacional. Debido a que es tan caliente y denso, se cree que el universo fue opaco a la radiación electromagnética durante los primeros 380.000 años de su existencia. Esto significa que ningún telescopio estándar (todos los cuales se basan en la detección de luz de varias longitudes de onda) puede detectar rastros de nada que haya sucedido antes. Este no es un límite al que están sujetos los telescopios gravitacionales. Mira este espacio. O espacio-tiempo.
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