2016 - Por Diego Bagú, Director de Gestión Planetario Ciudad de La Plata

En varias ocasiones hemos mencionado la época dorada que nos toca vivir. En tal sentido, somos sin duda alguna una generación privilegiada. La tecnología avanzando a pasos agigantados como nunca antes en la historia humana permite asombrarnos día a día ante los más asombrosos avances científicos.

Y hoy jueves 11 de febrero de 2016 no es la excepción en tal sentido. Será una jornada recordada por siempre, al menos para las bitácoras referentes de la historia de la ciencia. Hace exactamente 100 años, en su Teoría de la Relatividad General, Albert Einstein predijo un fenómeno físico al que denominó ondas gravitacionales. Un siglo después, la humanidad ha sido capaz por vez primera de observar dicho fenómeno, confirmando una vez más que Einstein tenía razón. Pero veamos de qué trata esta fascinante historia.

El acelerado avance tecnológico nos está permitiendo alcanzar enormes logros científicos, convirtiéndonos en una generación privilegiada.

NEWTON VS. EINSTEIN

Hace cuatro siglos, con Isaac Newton comprendimos como funcionaba el mundo. Tuvimos una primera versión de la ciencia física tal cual la conocemos hoy en día. Con determinadas salvedades, el modelo de Newton explicaba (y explica) en gran medida la física rutinaria, la que comprende nuestras vidas diarias. El por qué al soltar un objeto de nuestra mano el mismo cae al suelo o el funcionamiento de un ascensor; Newton nos da las herramientas para explicar las causas y los efectos que observamos. Por ejemplo, los motivos por los cuales la Tierra (como el resto de los planetas del Sistema Solar) orbita el Sol; con Newton encontramos esas respuestas. Una determinada fuerza de gravedad existente entre el Sol y nuestra planeta (en realidad dos fuerzas) es la causante que explica los motivos por los cuales nos encontremos dando vueltas alrededor de una estrella amarilla. Pero “nada es para siempre”. Hace un siglo, un alemán llamado Albert Einstein tuvo la irreverencia de mostrar que ante determinadas circunstancias, la física de Sir Isaac “hacía agua”. A cambio, Albert nos regaló otro modelo de universo, y cambió desde entonces el paradigma de cómo funciona el mundo.

Con Newton tuvimos una versión moderna de la ciencia. Hasta que llegó Einstein y cambió ese paradigma.

Para darnos una idea del cambio propuesto por Einstein, imaginemos que el espacio (espacio-tiempo para ser precisos) es una especie de mantel cuadriculado; algo así como una malla o red. Podemos darnos una idea de esto experimentando en nuestras casas. Tomemos una esferita muy pequeña y hagamos que se desplace de un determinado lugar (punto “a”) hacia otra zona del mantel (punto “b”) (ver figura inferior). Y supongamos que sigue una línea recta. Coloquemos ahora un segundo objeto algo más grande (una naranja podría funcionar muy bien). Es claro que la fruta deformará el mantel en determinada zona, exactamente a su alrededor. Si ahora quisiéramos que la esferita viaje nuevamente desde “a” hasta “b”, observaremos que el camino no es recto sino que describe cierta curva. Es más, si pasamos demasiado cerca de la naranja, la esferita directamente no llegará al punto “b” sino que caerá hacia la naranja misma.

En ausencia de materia, si quisiéramos viajar de un punto "a" hacia otro "b", el trayecto más corto sería una recta. Pero ante la existencia de un cuerpo que deforme el espacio-tiempo (la deformación dependerá de la cantidad de masa de este objeto), nuestro camino ya no será una recta sino una curva.

En nuestro modelo mantel-naranja-esferita, el primero sería el espacio-tiempo, la fruta sería el Sol, y la esferita un planeta (la Tierra por ejemplo). Estamos entonces en condiciones de hacernos una idea acerca de cómo Einstein nos explicó hace 100 años la manera en que los planetas giran alrededor del Sol. Son los planetas los que a partir de la deformación espacial que produce el Sol, realizan trayectorias curvas (elipses) alrededor de la estrella. Siglos de mecáncia newtoniana que tan buenos resultados ofrecieron (y ofrecen) a la comprensión del mundo fueron desplazados por el modelo físico-matemático de Einstein.

De acuerdo a la física newtoniana, la Tierra gira alrededor del Sol como consecuencia de las fuerzas de gravedad existentes entre ambos cuerpos. En el esquema de la teoría de la Relatividad General de Albert Einstein, la Tierra se mueve alrededor del Sol producto de la deformación que éste le produce al espacio existente a su alrededor.

Con Einstein, las fuerzas de Newton se explican (se reemplazan) a partir de la deformación del espacio-tiempo como consecuencia de la presencia de masa.

Debido a su masa, el Sol deforma el espacio-tiempo. Como consecuencia, todo cuerpo que transite por su "zona de influencia" se verá afectado y seguirá una trayectoria curva. Esto es justamente lo que ocurre con los planetas del sistema solar. Los planetas giran alrededor del Sol (lo orbitan) al seguir trayectorias curvas (elipses) debido a la deformación espacio-temporal que produce el astro rey.

LOS AGUJEROS NEGROS

Pues bien, tanto nuestra naranja como el Sol deforman al mantel y al espacio-tiempo respectivamente. Y aquí es donde entra a jugar un papel protagónico la masa de un cuerpo. Cuánto mayor sea ésta, mayor será la deformación que produzca. En otras palabras, una estrella mucho más masiva que el Sol, producirá una deformación mucha más intensa que la que éste produce. Si pudiésemos contar con un objeto cuya masa sea literalmente extraordinaria, entonces la deformación del espacio-tiempo sería colosal. Cualquier objeto que se le acercase, sufriría un violento cambio en su trayectoria. Es más, si lo hiciere a determinada distancia crítica, ya directamente no podría escapar de su influencia y “caería” sobre nuestro protagonista. Sería tan colosal su influencia que ni siquiera la luz podría escapar de él. Pero en ese caso, si la luz es totalmente absorbida por este extraño objeto, no podríamos verlo. Sería algo así como una zona en donde todo es más que oscuro; directamente sería un lugar en donde ya no podríamos ver absolutamente nada. Algo así como una especie de agujero, y de color negro. ¿Existen estos objetos tan particulares? Pues sí. Y ya te habrás imaginado como se los llama. Los agujeros negros son resultado de la muerte explosiva de cierto tipo de estrellas (estrellas muy masivas). El remanente de estas explosiones (el núcleo residual) contienen tal cantidad de masa, que ni la luz logra escapar del mismo. La única manera de “observarlos” es de manera indirecta, detectando lo que producen a su alrededor.

Un agujero negro es el remante de una estrella moribunda, el cual posee tanta masa que ni siquiera la luz es capaz de escapar de su gravedad. Por lo tanto, no podemos verlo de manera "directa". La forma de observarlo es a partir de los efectos que produce a su alrededor, por ejemplo, remolinos de materia cayendo hacia su interior.

LAS ONDAS GRAVITACIONALES

No es difícil imaginar que las deformaciones del espacio-tiempo producidas por un agujero negro son de las más intensas que puedan existir.

La deformación del espacio-tiempo producida por un agujero negro es de tal magnitud que ni siquiera la luz es capaz de escapar del mismo.

Una de las predicciones de la Teoría de la Relatividad General de Einstein es que agujeros negros acelerados, producirían ciertas ondas, vibraciones, que se propagarían por el espacio. Hagamos aquí otra analogía. Imaginemos que el espacio ya no es nuestro mantel sino la superficie de un lago. Y que el agujero negro es tan solo una simple piedra que podamos tener en nuestras manos. Si tiramos esa piedra al lago, veremos inmediatamente la formación de ondas las cuales se propagan por sobre el espejo de agua. Pues bien, si en lugar de la piedra tengo un agujero negro con cierta aceleración, la Teoría de la Relatividad General predice la formación de ondas a lo largo del espacio. Ondas producidas como consecuencia de la aceleración del agujero negro y de su gravedad. Ya no ondas de agua en el lago sino ondas gravitacionales a través del espacio.

Einstein predijo hace exactamente un siglo la existencia de ondas gravitacionales a partir de objetos de gran masa, acelerados.

Algo interesante de mencionar es que si bien Einstein predijo la existencia de estas ondas gravitacionales, nunca creyó que podrían ser detectadas en la Tierra, ya que estos fenómenos ocurren tan lejos de nosotros que cuando llegasen a nuestro planeta, estas ondas serían tan débiles que sería imposible su detección.

Dos agujeros negros en rotación mutua, y por lo tanto acelerados, producen ondas gravitacionales las cuales se propagan a través del espacio-tiempo. Este resultado lo predijo Albert Einstein hace un siglo y hoy, en 2016, pudo ser confirmado.

Para tener una idea la debilidad con la que llegan a la Tierra esas ondas y por lo tanto la complejidad que implica poder detectarlas, podemos hacer la siguiente comparación. Supongamos tener una varilla de un trillón de kilómetros. ¿Qué eso eso? Una varilla cuya longitud sea 1.000.000.000.000.000.000 de km (tengamos en cuenta que la distancia Tierra-Sol es de 150.000.000 de km). Tener la capacidad de detectar ondas gravitacionales sería semejante a poder medir esta varilla con un error menor a los 5 milímetros. ¿Impresionante, verdad? Aquí es donde la maravilla de la ciencia y la tecnología en particular producen resultados colosales. ¿Cómo podríamos contar con una especie de regla que nos permita medir esa varilla tan larga y de forma tan precisa? Hay una muy especial: la luz. Si las ondas gravitacionales existiesen, al momento de llegar a Tierra, por más débiles que fuesen deformarían el espacio existente. En otras palabras, deformarían todo lo que encuentren a su paso. Por ejemplo, si tuviese un gran tubo de unos 4 kilómetros de longitud, ese tubo se alargaría o encogería al ser afectado por el paso de la onda gravitacional. Parece de ciencia ficción aunque, por supuesto, no lo es. Y es aquí en donde cobra una magnitud mayúscula los resultados obtenidos con el experimento LIGO, un proyecto de grandes tubos de longitud en donde existen espejos, láseres y detectores, los cuales permitieron observar ondas gravitacionales.

La geometría del experimento en el que se basa LIGO

Básicamente (ver figura superior) se construyeron dos grandes tubos, uno ubicado entre los extremos “1” a “5” (en dirección horizontal) y otro entre los puntos “5” a “6” (en vertical), ambos con la misma longitud. Con “vertical” y “horizontal” hacemos referencia a la figura, ya que en realidad, por supuesto, ambos tubos se encuentran en posición horizontal, sobre el terreno (tengamos en cuenta que tienen del orden de los 4 km cada uno). Se envía un haz de luz a través de un láser desde el punto “1” hasta los puntos  “5”, es decir, en “3” el haz de luz se bifurca, viajando parte de la luz hacia el “5”  sobre la derecha, y parte hacia el “5” en la parte superior. En ambos extremos “5” los haces respectivos se reflejan en un espejo y desde allí viajan de vuelta hacia la ubicación “6”, lugar en donde se encuentra un detector. Esto es lo que se llama un interferómetro. ¿Cuál es la idea? Si las ondas gravitacionales “pasaron” por la Tierra y por ende por los grandes tubos, estos se deformaron, alargándose o contrayéndose. Como dijimos, este efecto es prácticamente indetectable y sólo ciertas figuras (patrones) que forma la luz en el detector ubicado en el punto “6” dan indicios concretos de la deformación de los tubos a causa de las ondas gravitacionales.

.Los dos observatorios LIGO en los cuales se detectaron los efectos de las ondas gravitacionales.

Como consecuencia de su extrema debilidad, cualquier otro efecto que no sea el propio de las ondas gravitacionales afectaría el experimento. Por ello es que fue necesario que la observación se realice en dos laboratorios distintos, ubicados a unos 3.000 km de distancia uno del otro, ambos en Estados Unidos. De esta manera, ambos laboratorios detectaron el mismo efecto, descartando causas locales externas al fenómeno físico que se deseaba encontrar. La detección en sí misma la atribuyen como resultado del último instante en la fusión de dos agujeros negros. 

Con los resultados de LIGO se abre una nueva ventana para observar el universo

Así como una fotografía, una placa de rayos X, o una imagen infrarroja, ofrecen distintas “visiones” y “versiones” de un mismo objeto, ahora LIGO nos brinda la oportunidad de analizar al universo desde otra perspectiva. Sin duda alguna estos resultados son impresionantes. Como lo es el maravilloso modelo del cosmos que regaló para toda la humanidad el genial Albert Einstein.