ONDAS GRAVITACIONALES: CÓMO OBSERVAR UN UNIVERSO INVISIBLE

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Su descubrimiento revolucionará la astronomía moderna y nos permitirá explorar los aspectos más oscuros de nuestro universo.

Representación artística de dos agujeros negros orbitándose el uno al otro. Swinburne Astronomy Productions

Hace 1.3 mil millones de años, en un lugar incomprensiblemente lejos de la Tierra, dos agujeros negros —pozos gravitatorios con densidad infinita de los cuales ni la luz puede escapar— culminaron una incansable danza en espiral al colisionar el uno con el otro. La energía liberada durante el choque generó una serie de ondas o “distorsiones” en la fábrica del espacio-tiempo que se propagaron discretamente a través del universo. El 14 de septiembre de 2015, estas ondas atravesaron nuestro pequeño planeta, y hubiesen pasado completamente desapercibidas de no ser por un par de interferómetros llamados LIGO (Large Interferometer Gravitational-Wave Observatory).

Observatorio LIGO, Livingston, Louisian

 Estos observatorios son capaces de detectar distorsiones en el espacio-tiempo de una dimensión 10,000 veces más pequeña que la de un protón, gracias a una técnica óptica que mide los patrones de interferencia generados al converger dos láseres en un mismo punto. Este logro representa un experimento científico sin precedentes, tanto para la astronomía moderna como para la ciencia en general, con más de mil científicos colaborando alrededor del mundo y el apoyo de cinco naciones distintas (Inglaterra, Alemania, Australia, Italia y EUA). Financiado originalmente por el gobierno de Estados Unidos (National Science Foundation), el proyecto LIGO ha tenido un costo de casi 1.1 mil millones de dólares. Su gestión comenzó en 1992, pero no fue hasta el 2002 que los observatorios entraron en operación, y tuvieron que pasar otros trece años de actualizaciones tecnológicas para que los observatorios pudieran cumplir su objetivo: detectaraquellas elusivas ondas gravitacionales predichas por la teoría de la relatividad general de Einstein hace poco más de un siglo. El 11 de febrero de 2016 finalmente se confirmó, una vez más, que las teorías de Einstein estaban en lo correcto.

Observatorio LIGO, Hanford, Washington

    Estas ondas son de una magnitud inimaginablemente pequeñas, por lo que el ingenio y la ciencia aplicada para detectarlas han sido extraordinarios. Los observatorios LIGO están compuestos por dos brazos perpendiculares de cuatro kilómetros de largo, con unos espejos precisamente posicionados al final de cada uno. Un par de láseres son enviados al mismo tiempo por ambos tubos para monitorear la distancia entre los espejos. Según Einstein, la distancia que tienen que viajar los láseres a través de los brazos se verá afectada si una onda gravitacional los atraviesa, desfasando el tiempo que éstos tardan en recorrer los tubos. Este desfase produce una señal que permite medir las propiedades de la onda gravitacional, tanto como su amplitud, frecuencia, fuerza, e incluso la distancia a la que se encuentra la fuente original de las ondas y la masa de los astros que la provocaron.

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“The Absurdity of Detecting Gravitational Waves” Canal de Youtube: Veritasium

    Pero ¿por qué ha sido importante este descubrimiento para el mundo de la astronomía? ¿Por qué se han invertido miles de millones de dólares y décadas de esfuerzos para detectar éstas invisibles distorsiones del universo? ¿Tienen alguna aplicación significativa para la sociedad en general? O en palabras más mundanas, ¿por qué coño deberían importarnos las ondas gravitacionales?

    No hay una explicación sencilla que logre justificar el formidable esfuerzo humano que se ha invertido en detectar algo tan absurdamente minúsculo. Quizás, por el momento, la recompensa sea intelectual: ensanchar un poco más el gran compendio del conocimiento humano. Pero la realidad es que los observatorios LIGO son el comienzo de una astronomía totalmente nueva, capaz de observar el cosmos a través de una radiación que no interactúa con la luz ni la materia convencional. Son la herramienta perfecta para explorar los aspectos más opacos de nuestro universo, como lo son los agujeros negros o la materia y la energía oscura. Y si algo es incuestionable es que nuestra insaciable curiosidad por entender el universo nos ha catapultado siempre hacia el progreso.

CONTEMPLANDO LA NOCHE

Desde que la humanidad tiene memoria, la actividad de observar el cosmos ha formado parte fundamental de nuestra identidad como especie. La adoración por los astros está presente en todas las culturas antiguas y ha moldeado nuestras civilizaciones de maneras muy peculiares. Miles de mitos e historias se han tejido alrededor de la bóveda celeste, con el fin de interpretar y buscarle sentido a la breve existencia humana: dioses, titanes, ángeles, demonios, tortugas, incluso extraterrestres. La extravagancia de nuestra imaginación siempre ha sido bondadosa.

   No fue hasta el siglo XVI, que un italiano llamado Galileo Galilei —quien por primera vez observó de manera metódica aquellos puntos brillantes del cielo nocturno— logró vislumbrar el panorama del gran cuento cósmico que es nuestro universo. Fue capaz de probar, a base de una metodología reproducible y observaciones hechas con un telescopio, que la Tierra giraba alrededor del Sol. Esta noción antagonizaba por completo la ideología religiosa de la época. Sin embargo la novedad de su método le permitía a cualquiera que estuviese en desacuerdo comprobar la teoría por sí mismo.

Galileo Galilei (1564-1642)

    El dilema heliocentrista, claramente resuelto, no fue de agrado para la Iglesia, y el famoso astrónomo fue forzado a retractarse de sus descubrimientos.

   Pero su metodología ha trascendido, posicionada ahora como el pilar de la ciencia moderna, la capacidad de nuestros instrumentos astronómicos solo se ha amplificado exponencialmente desde entonces. En los últimos 500 años, hemos descubierto que la Tierra no sólo no es el centro del universo, sino que nuestro Sol es solo una estrella más de millones y millones que conforman una galaxia llamada Vía láctea, que ésta sólo es una galaxia más entre billones y billones que flotan en el universo, un universo que comenzó a expandirse aproximadamente hace 13.7 mil billones de años a partir de un punto infinitamente denso y caliente, y que no solamente no ha dejado de expandirse sino que su expansión se ha ido acelerando con el tiempo.

   Quizás la revelación más sorprendente, a pesar de siglos de observaciones y acumulación de conocimientos sobre el universo, ha sido la conclusión de que toda la materia y energía detectada por nuestros instrumentos —la luz de los planetas, cometas, estrellas, galaxias, etc— representa apenas el 5% de la energía total del universo.

   ¿Cómo sabemos esto? Y más importante, ¿dónde coño está el otro 95% de la energía del universo?

UNA VENTANA AL COSMOS

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Telescopio Hubble

En 1990 se lanzó al espacio el telescopio Hubble, uno de los instrumentos más importantes de la astronomía. Su contribución a nuestro conocimiento del cosmos ha sido invaluable, con más de 14 mil artículos científicos publicados gracias a sus observaciones. Sin duda, este telescopio ha generado una revolución científica y filosófica. Ha reformado nuestra percepción del universo y con ello, la misma ontología humana. 

  Para el año de 1995, el Hubble habría de componer una de las imágenes más profundas y trascendentes en toda la historia de la astronomía. El telescopio fijó su lente durante varios días hacia un área sumamente pequeña de la constelación Osa Mayor —equivalente a un 1/10 del tamaño de la luna— dada su baja densidad de estrellas.

  Los resultados, para sorpresa de los astrónomos, mostraron que aquella región del cosmos no se encontraba vacía en lo absoluto. En la famosa fotografía, denominada Hubble Deep Field, se lograba apreciar más de 3 mil punto brillantes.

   Pero aquellos puntos ya no eran estrellas sino galaxias enteras compuestas por millones y millones de estrellas cada una de ellas.

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Hubble Deep Field, NASA

   Los astrónomos observaron que las galaxias más lejanas tendían a “correrse hacia el rojo” del espectro electromagnético. Es decir, entre más lejos observaban, más rojas se veían éstas, además de aparentar también ser más jóvenes. Para explicar este comportamiento, los astrónomos teorizaron que el universo debió haberse expandido lo suficientemente rápido en su juventud como para provocar un efecto Doppler a escalas cósmicas.

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Detalles del Hubble, NASA

  El efecto Doppler sucede cuando la longitud de una onda se alarga o se corta dependiendo del movimiento de la fuente; si la fuente se acerca hacía nosotros, la longitud de onda aparecer acortarse, pero si la fuente se aleja de nosotros, lo longitud de onda parecerá alargarse. Los colores que percibimos corresponden a ciertas longitudes de onda. El azul corresponde a la onda más corta de la luz visible y el rojo a la onda más larga. Si un objeto se acerca hacia nosotros, su luz se desplazará hacia el azul. Si el objeto se aleja, su luz se desplazará hacia el rojo. Al final, los astrónomos concluyeron que el espacio entre las galaxias debía estarse expandiendo para producir este corrimiento hacia el rojo, y entre más rápido se alejaban, más rojas se veían.Sin título

   En pocas palabras, la expansión del universo debía estarse acelerando. Los científicos responsables de este descubrimiento fueron galardonados con el Premio Nobel de Física en el 2011.

 Sin embargo, esto planteó una confusa interrogante para los astrónomos. ¿Qué estaba provocando que las galaxias se alejaran unas de las otras? ¿De dónde estaba saliendo todo el espacio nuevo creado entre ellas?

UN UNIVERSO OSCURO

Según las leyes de Newton, si un objeto se mueve en relación con otro, es porque existe una fuerza o energía actuando sobre él. Esta descripción del movimiento, aunque útil para predecir la órbita de los planetas, no está completa. Especialmente cuando se quiere explicar los efectos de la gravedad o el movimiento de objetos a escalas galácticas. Gracias a Einstein, ahora sabemos que la gravedad no es precisamente una fuerza, sino una deformación geométrica del espacio-tiempo provocada por la presencia de masa, y la masa es sólo una expresión diferente de energía (E=MC2). Por lo tanto, la energía es la que determina cómo se mueven los objetos en el espacio.

  Científicos dedujeron que debía existir una energía invisible responsable de repeler a las galaxias entre sí, o que expandiera el espacio entre ellas. Entre más se expandiese el espacio, más energía se creaba. Entre más energía se creaba, más rápido se expandía el espacio, acelerando el proceso. A esta energía se le denominó «energía oscura», debido a que sólo ha sido posible inferir su existencia con las observaciones de la expansión del universo.

   Por si fuera poco, cuando los astrónomos observaron el movimiento de las galaxias a través del Hubble, se toparon con otro misterio invisible. Al medir la velocidad de las rotaciones galácticas, notaron que las orbitas de las estrellas en las afueras de la galaxia eran demasiado rápidas para la cantidad de materia visible en ellas. Algo extraño, ya que, según la gravedad de Newton, entre más lejos se encuentra un objeto del centro de gravedad, menor será la influencia gravitatoria. Esto explica, por ejemplo, la duración de las orbitas de los planetas del sistema solar; la tierra tarda alrededor de 364 días en darle una vuelta al Sol, mientras que Mercurio, que se encuentra mucho más cerca, tarda 88 días. Los científicos descubrieron que la velocidad orbital de las estrellas era relativamente constante sin importar su distancia al núcleo galáctico. En promedio, determinaron que se necesitaba entre un 90 y un 95% de más materia a la observada para explicar la rotación de las galaxias. A esta materia invisible se le denominó «materia oscura», ya que solo ha podido detectarse indirectamente a través de sus efectos gravitatorios.

  Las ecuaciones de Einstein establecen la equivalencia exacta entre masa y energía, y han permitido a los astrofísicos calcular la proporción de masa-energía del universo observable. Según estos cálculos, el universo se compone aproximadamente de un 68% de energía oscura (responsable de la expansión del universo), 27% de materia oscura (responsable de mantener las galaxias unidas) y un 5% de materia visible (estrellas, galaxias, etc).

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    Esto quiere decir que no tenemos la más mínima idea de que está hecho el 95% del universo. Vaya progreso científico.

LA CIENCIA: UNA VISIÓN HACIA EL FUTURO

Una de las consecuencias de la relatividad general es que no puedes hablar del espacio sin hablar del tiempo. Einstein entendió que la gravedad no sólo afecta la geometría del espacio sino también el transcurso del tiempo. A este fenómeno lo llamó dilatación del tiempo, pero jamás se imaginó que sus ecuaciones pudieran tener algún tipo de aplicación tecnológica inmediata. Y tenía razón.

  En la Tierra la dilatación del tiempo por efecto de la gravedad es tan pequeña que es prácticamente imperceptible. Sin embargo, se ha comprobado experimentalmente que el tiempo pasa más rápido en el espacio en relación con la Tierra. Esta diferencia, aunque pequeña, es bastante significativa, sobre todo respecto a las comunicaciones satelitales. Hoy en día, una de las tecnologías más importantes del mundo moderno es el Sistema de Posicionamiento Global, o GPS, que se basa en este tipo de comunicaciones. Por ejemplo, los autos inteligentes —automóviles sin conductores humanos— son una tecnología emergente que depende intrínsecamente del GPS. Esta tecnología tiene el potencial de revolucionar la forma en que nos transportamos. Tuvo que pasar cerca de un siglo para que las ecuaciones de Einstein pudieran ser aplicadas a una tecnología capaz de transformar nuestra sociedad.

   Quizás la tecnología que nos permite detectar las ondas gravitacionales no sea capaz de aportar beneficios inmediatos a la sociedad, quizás algún científico en el futuro logre propulsar a la especie humana hacia una civilización interestelar donde la detección de ondas gravitaciones se vuelva indispensable. Pero la realidad es que los seres humanos no hacemos ciencia con el fin de buscarle aplicaciones tecnológicas o sociales, hacemos ciencia para saciar una curiosidad insaciable, para comprender el universo cada vez más y entendernos mejor a nosotros mismos. La tecnología es sólo un producto secundario del quehacer científico, aunque su influencia sobre nuestra civilización y forma de vida es innegable. Si algún día nos vemos en la necesidad de abandonar nuestro planeta y aventurarnos al espacio, definitivamente ocuparemos un instrumento capaz de observar lo inobservable.

—Alejandro Ortiz

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