A la caza del agujero negro: LIGO está descubriendo lo que ningún telescopio puede ver

En octubre de 2017, los estadounidenses Rainer Weiss, Barry Barish y Kip Thorne ganaron el merecido Premio Nobel de Física por su trabajo en LIGO, un detector de ondas gravitacionales.

Como las ondas electromagnéticas, las ondas gravitacionales se encuentran a nuestro alrededor, invisibles para nosotros incluso cuando han surgido de alguno de los fenómenos más impactantes del universo: el choque de dos galaxias, dos agujeros negros en colisión, o el estallido de una supernova.

Cuando alguno de estos grandes fenómenos ocurre, las ondas gravitacionales, como ondas de choque, recorren la inmensidad del espacio hasta llegar a nosotros muy atenuadas. Gracias a herramientas como LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) hemos sido capaces de detectarlas, pero no ha sido fácil.

La interferometría láser (suena más complejo de lo que es) busca cambios en el tejido del espacio-tiempo cuando una onda gravitacional lo cruza. Como una tela tensa sobre la que formamos ondas, el espacio-tiempo se contrae y dilata cuando pasa una onda gravitatoria, y es lo que tratamos de medir.

Aunque el espacio parece estático y pensamos que siempre mide lo mismo, lo cierto es que el espacio-tiempo cambia en presencia de la gravedad generada por grandes objetos, y esta avanza en forma de ondas gravitatorias cuando varios objetos masivos interactúan. ¿Quieres saber cómo las “escuchamos”?

Así deforma el espacio-tiempo la gravedad y los agujeros negros

En el colegio, cuando nos enseñaban el orden de los planetas, ya nos decían que la Tierra “tira” de nosotros como el Sol “tira” de la Tierra. La fuerza de la gravedad, pese a ser relativamente débil, es capaz de hacer que objetos que se encuentran a 149,6 millones de kilómetros se atraigan entre sí.

Esto lo hace “estirando” el espacio-tiempo de un modo similar a como se muestra en las imágenes de abajo. Volviendo al ejemplo de la sábana tensa, cuando colocamos una canica de metal, la tela se estira y deforma considerablemente como lo hace el espacio en presencia de masas grandes como el Sol o un agujero negro:

deformacion del espacio-tiempo

Objetos más pequeños como la Tierra, la Luna o Mercurio también deforman el espacio-tiempo, pero de un modo casi imperceptible. Cuando varios objetos mucho más masivos interactúan a millones de años-luz de distancia, en lugar de deformar el espacio en forma de cono lo hacen en forma de ondas que se extienden por el universo.

¿Qué es una onda gravitacional y cómo se genera?

No resulta sencillo explicar qué es y qué no es una onda gravitacional, pero intentemos hacerlo de forma gráfica fingiendo que, en cualquiera de los esquemas de arriba (que representan el espacio-tiempo) colocamos una nave espacial. Esta caerá hacia el centro del pozo gravitatorio cónico que vemos.

Ahora imaginemos que nos encontramos en mitad del espacio en una región en la que no hay ninguna masa de importancia, y que en fracciones de segundo un objeto supermasivo (como un agujero negro pequeño) cruza la región. Como consecuencia, sentiremos un “tirón” momentáneo en la dirección por la que ha pasado: acabamos de ser atravesados por una onda gravitatoria.

Un ejemplo algo más sencillo es pensar en una canica de metal recorriendo la sábana en la que previamente hemos dejado una canica menos pesada. La sábana se arrugará de tal forma que la canica inicial se verá afectada por ese nuevo doblez, y se moverá. ¿No te lo crees? Busca voluntarios y una sábana.

Si no podemos verlas, ¿cómo se detectan las ondas gravitacionales?

Uno de los grandes problemas de estas ondas es que, además de resultar invisibles a nuestros sentidos, deforman nuestros instrumentos de medida cuando cruzan por nuestro planeta. Si cogemos una regla de un metro, la subimos a una nave espacial y la situamos cerca del Sol, la regla seguirá midiendo un metro pero ocupará un espacio-tiempo que ha sido estirado por la gravedad solar. Es decir, no podemos medir de un modo tradicional.

Como salir del universo para ponerse a medir es imposible, los científicos han buscado un método alternativo para detectar ondas gravitacionales al que llaman Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) en el que envían dos rayos láser contra dos espejos situados al final de dos largos brazos en L y esperan a que vuelvan.

LIGO detector de ondas gravitacionales

La mecánica es sencilla, aunque la teoría en la que se basa es bastante compleja: que las ondas se transmiten en una dirección y su amplitud (cómo deforman el espacio-tiempo es perpendicular a este movimiento). Para entender esto podemos pensar en cualquier onda, como una ola que venga hacia nosotros en la playa.

Todo el que se ha metido unos metros en la arena se ha dado cuenta de que las olas suben y bajan, ganando amplitud y perdiéndola, a medida que avanzan, pero no se desplazan hacia derecha o izquierda, ni frenan y retroceden, y tampoco giran o hacen movimientos extraños.

Las ondas gravitacionales funcionan de un modo similar, y el espacio se prensa o estira cuando las ondas lo cruzan. Como ocurre con la ola de la playa, el espacio no gira de formas extrañas cuando lo atraviesa una onda gravitacional, y tampoco cambia el sentido de la gravedad o la dirección del tiempo. Lo que sí que cambia es la distancia de los brazos en L del experimento LIGO.

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Como los rayos láser siempre viajan a la velocidad de la luz, ocurre que ambos haces deberían tardar lo mismo en ir y volver a sus respectivos espejos. Curiosamente, cuando una onda gravitacional cruza la Tierra, uno de los dos brazos se estira más que otro, y el láser tarda un poco más en ir y volver.

Experimentos como el de LIGO o Virgo nos acercan más a la verdad sobre el universo, que en algunos puntos (el interior de un agujero negro o a escala subatómica) parece ser completamente contraintuitivo. Hasta el año 2015 las ondas gravitacionales eran una teoría, y hoy son parte del conocimiento consolidado.

Gracias a este nuevo instrumento de medida podemos mirar “hacia arriba” y escuchar de un modo diferente el cosmos, detectar dos agujeros negros supermasivos cuando choquen entre sí o saber dónde se están fusionando dos galaxias debido a la onda que generan y se transmite por el universo.

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Imágenes | iStock/Petrovich9, James Provost, sciencenews.org, BenRG, Allen McC, NASA, Kraainnest, NASA, iStock/3quarks

Marcos Martínez @euklidiadas

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