El Premio Nobel de Física 2017 ha sido concedido a los fundadores de <a href="https://www.ligo.caltech.edu/" target="_blank">Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory</a> (LIGO) por la primera detección directa de ondas gravitacionales emitidas en la fusión de dos agujeros negros.
Dos enormes interferómetros en Washington y Luisiana (EE.UU.) detectaron el pasado 14 de septiembre de 2015, por primera vez en la historia, la emisión de ondas gravitacionales generadas en los últimos instantes de la fusión de dos agujeros negros de unas 30 masas solares cada uno, abriendo una nueva era de la astronomía y la cosmología. El jueves 11 de febrero de 2016, pudimos seguir en directo la rueda de prensa que los miembros de la colaboración LIGO dieron en Washington, describiendo la detección de la señal inequívoca de ondas gravitacionales emitidas por un sistema binario de agujeros negros que caen en espiral y terminan fusionándose en otro agujero negro de mayor masa. Tal hazaña acaba de ser galardonada con el Premio Nobel de Física 2017 para los fundadores del experimento, Reiner Weiss, Barry Barish y Kip Thorne, aunque dicha detección no habría sido posible sin la participación de toda la colaboración LIGO+VIRGO, más de mil científicos entre los que se encuentran dos grupos españoles, de las Islas Baleares y Valencia, que han construido los intereferómetros y hecho el análisis de datos del experimento.
La señal consiste en una oscilación de amplitud y frecuencia variable, que crece hasta un máximo en el momento de la fusión y luego desaparece. Ambos detectores vieron dicha señal de manera inequívoca, por lo que los investigadores de la colaboración LIGO sabían que estaban ante un hito de la historia de la ciencia. Desde entonces han sido descubiertas cuatro fusiones más de sistemas binarios de agujeros negros masivos, hasta distancias de miles de millones de años luz de la Tierra, abriendo una nueva ventana a la exploración del Universo.
Las ondas gravitacionales fueron predichas por Einstein en 1916, poco después de formular sus ecuaciones de la relatividad general. Se trata de deformaciones en la estructura del espacio-tiempo que se propagan a la velocidad de la luz. En lenguaje coloquial, se podría decir que son arrugas en el espacio-tiempo, que se generan cuando un fenómeno gravitacional violento ocurre en el espacio y en el tiempo. Este fenómeno puede ser astrofísico, como la explosión de una supernova o la colisión de dos agujeros negros, o bien el estallido inicial de la gran explosión que dio lugar a nuestro universo.
De igual manera que una carga oscilante genera ondas electromagnéticas, las ondas gravitacionales se producen cuando una gran distribución de masa se mueve a velocidades relativistas y sufre un cambio en su aceleración. Ambas ondas, electromagnéticas y gravitacionales, se mueven a la velocidad de la luz desde la fuente hasta el detector, por lo que un evento como el que detectaron los interferómetros de LIGO tuvo que ocurrir a enormes distancias para que 1.300 millones de años más tarde fuera detectado en la Tierra.
La interacción gravitacional es tan débil que el efecto de una onda gravitacional sobre la materia es casi inapreciable. Además, como la mayoría de los eventos cataclísmicos que dan lugar a una luminosidad suficientemente potente de ondas gravitacionales están muy lejos, éstas llegan a la Tierra con una amplitud muy reducida. Esto hace que, a pesar de deducir su existencia hace un siglo a partir de sus ecuaciones, Einstein siempre pensó que nunca se llegarían a detectar. La mejor manera de detectar una onda gravitacional es medir su influencia sobre un conjunto de enormes masas cuya posición conocemos bien. Una forma indirecta de detectar la presencia de ondas gravitacionales es medir la pérdida de energía por emisión de ondas gravitacionales de un sistema binario de estrellas de neutrones orbitando una alrededor de la otra. La posición de las estrellas se conoce con extraordinaria precisión gracias al potentísimo haz colimado de ondas de radio que emiten y que son detectados por radiotelescopios. En particular, el primer púlsar binario, descubierto por Hulse y Taylor en 1974 con el telescopio de Arecibo, permitió medir durante décadas su pérdida de energía y confirmar que lo hacía exactamente como predecía la teoría de la relatividad general. Este descubrimiento les valió el Premio Nobel de Física en 1993.
Por otra parte, en los años setenta, un grupo de Caltech (Ronald Drever y Kip Thorne) y del Massachusetts Institute of Technology (MIT) (Reiner Weiss), propusieron la idea de un interferómetro láser de 'tipo Michelson' entre cuatro espejos muy masivos, de manera que la posición relativa de los espejos se podía conocer con extraordinaria precisión y así detectar el paso de una onda gravitacional. Después de cuatro décadas, la idea finalmente ha dado sus frutos y el experimento LIGO ha logrado detectar por primera vez dicha onda proveniente de la fusión de dos agujeros negros muy masivos. Ha sido necesario llegar a una sensitividad increíble, de unas partes en 10^ (21), es decir ser capaces de distinguir desviaciones miles de veces más pequeñas que el tamaño de un protón en distancias de kilómetros (los brazos del interferómetro). Esto sólo es posible porque la onda mueve a su paso los espejos de forma coherente, sacando fuera de fase los dos haces de luz que interfieren en el fotodetector.
Lo que se ha visto en LIGO ha sido una oscilación periódica de los espejos del interferómetro, con una frecuencia y una amplitud característica predicha por la relatividad general, que permite conocer la masa y distancia relativa de los agujeros negros durante la caída en espiral, así como predecir y medir la masa del agujero negro resultante de la fusión. La señal se ha detectado de forma independiente tanto en el detector de Livingston (Luisiana) como en Hanford (Washington), con una fase y un retraso temporal de 7 milisegundos, que corresponde exactamente con lo que esperaríamos de un suceso de fusión de dos agujeros negros de 29 y 36 masas solares a una distancia de 1300 millones de años luz. El resultado de la fusión ha sido un agujero negro de 62 masas solares y la conversión en menos de un segundo de 3 masas solares de energía en forma de ondas gravitacionales. El propio espacio-tiempo se deforma violentamente en la fusión ('merger') y se relaja posteriormente ('ringdown'), emitiendo una enorme cantidad de energía en forma de una perturbación del espacio-tiempo que viaja a la velocidad de la luz y que llamamos onda gravitacional.
Si el siglo XX fue el siglo de la exploración del universo gracias a las ondas electromagnéticas este siglo XXI seremos capaces de explorar el universo con una nueva sonda, las ondas gravitacionales
Esta primera detección de ondas gravitacionales es el comienzo de una nueva era de la astronomía. Si el siglo XX fue el siglo de la exploración del universo gracias a las ondas electromagnéticas de todas las frecuencias, de radio a los rayos gamma, este siglo XXI seremos capaces de explorar el universo con una nueva sonda, las ondas gravitacionales, como comentaba yo en mi blog hace cinco años. Nos va a permitir explorar la naturaleza de la materia oscura y la energía oscura. En concreto, la emisión de ondas gravitacionales es tan precisa que podemos calibrar las fuentes con nuestros conocimientos de relatividad general y por tanto podemos usar estos eventos de fusión de agujeros negros como 'sirenas estándar' para determinar con precisión las distancias a las galaxias lejanas, similar a lo que hacemos ahora de forma rutinaria con las supernovas de tipo Ia como candelas estándar. De esta manera, es posible deducir el contenido de materia y energía que da lugar a la expansión acelerada del universo, y descubrir, por ejemplo, la naturaleza del campo responsable de dicha aceleración.
La primera detección de ondas gravitacionales ha ocurrido en el rango de los cientos de hercios. En un futuro próximo tendremos una red de telescopios de ondas gravitacionales (los experimentos VIRGO, KAGRA, DECIGO, etc.) funcionando a distintas frecuencias (debido a la longitud de los brazos), entre décimas de hercios y varios kilohercios. Dentro de una década la Agencia Espacial Europea (ESA) pondrá en órbita alrededor del Sol un conjunto de satélites llamado Laser Interferometer Space Antenna (LISA), con un interferómetro de millones de kilómetros de brazo, que será sensible al rango de frecuencias de los milihercios, abriendo la exploración de las fusiones de los agujeros supermasivos que se encuentran en el centro de las galaxias y al fondo estocástico de ondas gravitacionales generadas en el origen del universo.
El avance tecnológico que ha sido necesario para llegar a construir el experimento LIGO será el precursor de desarrollos aún más novedosos, con nuevos materiales y tecnologías, para explorar la detección de ondas gravitacionales a todas las frecuencias posibles, incluso aquellas que podrían darnos información de los primeros instantes del universo y de la naturaleza de la materia oscura.
Acabamos de entrar en una nueva era.
