Con la ayuda de las redes sociales, la noticia de la detección de las ondas gravitatorias con el observatorio LIGO se ha esparcido por todo el mundo. El pasado jueves 11 de febrero los científicos Davide Castelvecch y Alexandra Witze confirmaron la primera observación (detectada desde septiembre del 2015) de la perturbación provocada por las grandes aceleraciones que alcanzan los objetos estelares supermasivos, en este caso, la colisión de dos hoyos negros (con masas de 36 y 29 veces la masa del Sol, respectivamente) a una distancia de la Tierra cerca de 400 millones de parsec, que sucedió hace más de seiscientos millones de años (como referencia, era la época cuando apenas iniciaba la vida multicelular en el mar de la Tierra).
Durante 100 años se ha estado enseñando en las universidades e institutos la elegancia de la teoría general de la relatividad de Albert Einstein, así como sus diversas predicciones que van desde los lentes gravitatorios hasta el desplazamiento del perihelio de Mercurio. Conforme ha avanzado la tecnología se han confirmado directamente, como es en este caso, que los cuerpos masivos (hoyos negros, estrellas de neutrones, supernovas, etc) producen ondulaciones en el espacio-tiempo. Incluso la Tierra está inundada de ondas gravitatorias, sin embargo, estas ondas son de muy baja frecuencia y tan tenues que se complica aún más su detección. Para las ondas gravitatorias, que en teoría pueden ser detectadas, se hicieron varios intentos, por ejemplo en los 70´s se quiso detectar las ondas por medio del cambio de las dimensiones de grandes cilindros metálicos (Webber 1960), sin embargo, la ciencia exige que los experimentos sean reproducibles una y otra vez, así como reducir al mínimo el error y acotar la incertidumbre, lo cual no sucedió con el experimento de Webber. En 1993 Taylor y Hulse recibieron el premio Nobel por haber confirmado, en 1974 de manera indirecta, la existencia de las ondas gravitatorias en un sistema binario de estrellas de neutrones mediante la observación del desfasamiento del tiempo entre cada destello del pulsar (Taylor y Hulse, 1994). Al lector interesado le recomendamos leer el libro de Gravitation (Misner, Thorne y Wheeler, 1973), o de manera alternativa para los lectores poco familiarizados con las matemáticas y la física, les recomendamos visitar la liga en PhDComics.
La importancia de las ondas gravitatorias: Alrededor de la mitad del siglo XX se detectaron, por primera vez, emisiones de radiofrecuencias externas a la Tierra (Jansky, 1930). Años después, con otros instrumentos, fue detectada otra fuente estelar en rayos X (Giacconni, 1962) y a principios de los 70’s se descubrieron fuentes de rayos gamma provienentes del espacio exterior. Con estos descubrimientos se abrieron nuevas ventanas para estudiar el Universo a lo ancho del espectro electromagnético desde frecuencias de los 106 Hertz (ciclos por segundo) y superiores a 1019 Hertz, es decir, desde el longitudes de onda de radio, microondas, infrarrojo, visible, ultravioleta hasta los rayos X y los rayos gamma. Fue fascinante el desarrollo de la ciencia, dado que se descubrió que las propiedades de un mismo objeto eran diferentes a diferentes frecuencias, es decir, al analizar los diversos espectros se dieron cuenta de la existencia de más y diversos procesos físicos que suceden en el Universo y que necesitaban una nueva explicación, tal como la vibración y rotación de moléculas, radiación del cuerpo negro, frenado y aceleración de electrones a velocidades relativistas, etc. Estos descubrimientos han hecho que el conocimiento de nuestro Universo sea más amplio. En esta ocasión, la detección directa de las ondas gravitatorias (que no son ondas electromagnéticas) viajando por el espacio-tiempo, marca una nueva ventana para analizar los objetos que antes eran difíciles de analizar, como lo son los hoyos negros, porque hemos conocido acerca de ellos por medio de técnicas indirectas.
Acerca de los observatorios LIGO. Actualmente existen en funcionamiento cuatro observatorios especializados en detectar ondas gravitacionales, uno es el observatorio VIRGO localizado en Italia, otro es GEO600 localizado en Alemania y dos observatorios gemelos llamados LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) que desde los 90´s comenzaron sus operaciones en EUA (Washington y Luisiana). El principio básico de estos observatorios es la interferometría láser, la cual consiste en medir la variación de la distancia que recorre un rayo láser entre dos espejos perpendiculares (Ver figura 1). La variación de la distancia se mide por medio de la comparación del tiempo que tarda un rayo láser en ir, reflejarse en el espejo al extremo de cada uno de los brazos y regresar al detector para analizar su patrón de interferencia. El rayo láser cuando sale de la fuente es dividido en dos rayos perpendiculares para garantizar que tienen la misma fase. Se requiere que los rayos hagan el mayor recorrido posible a lo largo de cada brazo del observatorio LIGO, por lo que los rayos son reflejados alrededor de 300 veces en cada brazo (la longitud de cada brazo es de 4 kilómetros que se encuentran al alto vacío) antes de comparar sus fases en el detector. En el caso de que no hay una onda gravitatoria, la distancia entre los espejos debe permanecer constante dentro de los límites de la incertidumbre. En cambio si una onda gravitatoria pasa por la Tierra, entonces se espera una distorsión en el espacio-tiempo, la cual será registrada por los observatorios como una modificación al patrón de interferencia (desfase en la longitud de onda del rayo láser) al haber una pequeña diferencia de distancia, es decir, al contraerse/dilatarse la distancia entre los espejos.
El sistema de detección por medio de la interferometría trae grandes desafíos porque requiere detectar variaciones de distancia muy, pero muy pequeñas, del orden de 22 ceros a la derecha del punto decimal. Esto es equivalente a poder medir la variación de la distancia que hay entre el centro de Morelia y centro de Patzcuaro (que es alrededor de 50 kilómetros) con una precisión más pequeña que el radio de un electrón, que es alrededor de 3x10-15 metros!.
En principio, el observatorio LIGO es capaz de detectar ondas con frecuencias entre 10 a 103 Hertz. El anuncio de la detección del jueves 11 de febrero tiene frecuencias de oscilación que comenzó a 35 y terminó en 250 oscilaciones por segundo (Hertz) y el tiempo que tardó en pasar la onda fue menos de un segundo!. La frecuencia límite de detección para los observatorios terrestres de las ondas gravitatorias es de alrededor de un 1 Hertz o que es lo mismo una oscilación por segundo. Para lograr esto, es necesario reducir casi a cero las fuentes de error, calibrar los sistemas de detección para garantizar que estuvieran lo más aislado y amortiguado posible de la perturbaciones externas (automóviles, sismos, etc.) e internas (detectores, motores de los instrumentos, alto vacío para eliminar la mayor cantidad de partículas, efectos térmicos y cuánticos de los espejos, etc.). Para asegurar la veracidad de los resultados ante tal precisión, el grupo de científicos de LIGO hacen pruebas rigurosa de calibración de los instrumentos, así como aplican pruebas estándares (al azar y de manera secreta inyectan una onda gravitatoria falsa) para que el grupo de investigadores pueda validar los datos y descarten o en su caso acepten las mediciones obtenidas por el observatorio.
Se espera que los observatorios terrestres de ondas gravitatorias que están en construcción (TAMA y un tercer LIGO) puedan detectar desde 1 Hertz hasta 104 Hertz. Además, para conocer con mayor precisión la posición de la fuente de las ondas gravitatorias, es necesario tener más observatorios porque eso permite la triangulación de la información. Desafortunadamente el día de la observación, 14 de septiembre, los observatorios VIRGO y GEO600 estaban fuera de servicio, por lo que sólo los gemelos LIGO registraron los datos.
Para mejorar la calidad de los datos y ampliar el intervalo de observación hasta 0.1 Hertz, la era espacial tiene un gran potencia debido a que los observatorios espaciales eliminan las perturbaciones del ambiente terrestre y también usarán la interferometría para mayores distancias, tal como el proyecto LISA (Antena Espacial de Interferometría Láser) de la NASA, la cual se proyecta construir para el 2034. Sin embargo, a bordo de la misión espacial LISA PathFinder que fué lanzada en diciembre del 2015, se está probando la instrumentación para el proyecto LISA, en el cual se harán pruebas a menor escala para probar la interferometría entre espejos que se encuentren en caída libre con una distancia relativa de 40 centímetros y con la finalidad de medir variaciones de distancia menores a 0.01 nanómetros, es decir 10-11 metros.
Por esta razón y muchas más, la enseñanza de las ciencias espaciales es fundamental para el desarrollo de las naciones. Orgullosamente México ha comenzado a avanzar en esta área gracias al impulso de la Agencia Espacial Mexicana, la cual está acelerando el desarrollo del sector espacial al promover la cultura del espacio entre los estudiantes, financiar proyectos de investigación y mucho más. Sin duda en los próximos días se publicarán los análisis de las observaciones, lo cual nos permitirá conocer con mayor detalle el sistema binario de hoyos negros, motivará el interés que impulsará a los proyectos de la era espacial y posiblemente los científicos involucrados sean galardonados con el premio Nobel en física por abrir una nueva ventana al conocimiento.
