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Entusiasmo en la física ante las ondas gravitacionales

Ecos de las ondas que dieron la razón a Einstein

El mayor espectáculo del universo, un hito histórico, una nueva ventana para conocer el cosmos, la demostración de que el espacio-tiempo está vivo… Así se expresan científicos de todo el mundo cuando describen la detección de ondas gravitacionales anunciada esta semana por la colaboración LIGO. Sinc ha hablado con media docena de físicos de primera línea de España y EE UU para que valoren su relevancia; entre ellos, Alan Guth y Andréi Linde, los padres de la inflación cósmica.

Simulación de la colisión de dos agujeros negros en el espacio. / LIGO

“Estuve viendo la rueda de prensa y fue muy emotivo; es genial ver cómo se hace historia. Ahora esta rama de la ciencia será imparable”, comenta entusiasmado a Sinc Andréi Linde (Moscú, 1948), físico teórico de la Universidad de Stanford (EE UU), que en 1982 dio la forma moderna a la teoría de la inflación cósmica.

Andréi Linde

“Lo que se ha descubierto por primera vez es que el espacio-tiempo realmente está vivo. No es solo una herramienta para describir la materia normal, tiene sus propios grados de libertad. Se puede doblar, fluctuar ¡y sacudir la Tierra!”.

El físico aclara por email a Sinc que las ondas gravitacionales descubiertas son clásicas, producidas por la fusión de agujeros negros.

“El siguiente paso sería encontrar las ondas gravitacionales originadas por la inflación, en el universo muy temprano, lo que sería una prueba de la gravedad cuántica”, subraya Linde.

Hace dos años, el nombre de Linde sonó para el Nobel cuando los físicos del telescopio BICEP2 dijeron haber descubierto estas ondas procedentes de los primeros ecos del Big Bang. Pero aquel anuncio se quedó en nada.

La esperanza: encontrar ondas primigenias

De haberse confirmado la existencia de ondas primigenias, Linde habría compartido premios y satisfacción con su colega Alan Guth (Nueva Jersey, 1947), cosmólogo del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT, EE UU).

Alan Guth: “Detectar ondas gravitacionales el instante inicial del universo sería maravilloso”

Preguntado por Sinc, Guth, considerado padre de la inflación cósmica, recuerda que los detectores de LIGO “no serán sensibles a esas ondas gravitacionales primordiales durante mucho tiempo, por lo que las esperanzas de descubrirlas en un futuro próximo descansan en experimentos sobre el fondo cósmico de microondas (CMB), como BICEP2”.

“Muchas versiones de inflación conducen a una radiación gravitatoria que podría verse pronto, pero hay muchas otras que indicarían unas ondas tan débiles que podríamos no observarlas nunca –añade–. Detectar ondas gravitacionales de ese instante inicial del universo sería maravilloso”.

En cualquier caso, Guth destaca la importancia del nuevo descubrimiento: “Es un éxito maravilloso para la ciencia, un logro tecnológico espectacular, y una recompensa magnífica para los científicos que han estado trabajando tantos años para hacerlo posible. Quedaban pocas dudas de que las ondas gravitatorias existían, pero hay una gran diferencia entre creer que existen y verlas de verdad. Esta detección abre una nueva rama de la astronomía. Nos ofrece una ventana a procesos hasta ahora invisibles”.

Entusiasmo y también cautela

Desde el Instituto de Física de Cantabria (CSIC-UC) lo explica el investigador Enrique Martínez González, que forma parte del equipo de la misión Planck: “Esa nueva ventana ya no está limitada a las imágenes que nos proporciona la luz mediante las ondas de radio, el espectro visible o los rayos gamma, sino que las ondas gravitacionales ofrecen una información muy valiosa que la luz no puede facilitar. Es como disponer de un nuevo sentido para conocer el universo”.

Alan Guth y Enrique Martínez en el congreso de física de altas energías celebrado en 2014 en Valencia, ICHEP2014.

“De confirmarse este hallazgo, constituye uno de los resultados científicos más esperados e importantes de la física”, señala el experto, aunque también recuerda que tanto LIGO como la futura misión LISA no son sensibles a las ondas gravitacionales primigenias, que tienen longitudes de ondas comparables al tamaño del universo. Dejan una huella muy característica en la polarización del fondo cósmico, “por lo que la medida de esa polarización (mediante experimentos como la misión Planck o QUIJOTE en Tenerife) es la mejor opción que tenemos actualmente para su detección y es muy posible que se pueda lograr en la próxima década”.

“Es como disponer de un nuevo sentido para conocer el universo”, compara Enrique Martínez

Respecto al gran anuncio de esta semana también puntualiza que es necesario “un cierto grado de cautela a la hora de reconocer un descubrimiento de esta envergadura. Martínez opina que es necesaria la detección de otros sucesos violentos similares al anunciado por LIGO para dar total credibilidad al hallazgo.

La detección del evento sucedió unos días antes de la fecha oficial del comienzo de las observaciones de LIGO. Además, el anuncio del descubrimiento viene precedido de chascos recientes como la noticia de la detección –indirecta– de ondas gravitatorias primordiales por la colaboración BICEP2 en 2014, que poco después fue desmentido por los datos del satélite Planck.

Un aullido descomunal hace 1.300 millones de años

Pero este caso parece diferente: “La detección de LIGO es tan directa como la captación de sonido por un micrófono, aunque eso sí, uno extraordinariamente sensible”, considera Roberto Emparan, físico de la Universidad de Barcelona. “Hay muy pocos motivos para sospechar de este anuncio. Primero, porque apenas nadie dudaba de la existencia de estas ondas, y las estimaciones estadísticas señalan que una detección de este tipo puede ser falsa solo una vez cada 200.000 años”.

Roberto Emparan. / UB

La principal incertidumbre provenía del desconocimiento de la frecuencia con que ocurrirían sucesos como el que se registró en septiembre, quizás varias veces al año, o solamente una vez cada muchos años –explica el científico–, pero la señal que se ha recibido es fuerte y clara en los dos detectores, separados 3.000 km en dos estados de EE UU, lo que descarta el origen local de la perturbación.

“Esa colisión de agujeros negros es el suceso más espectacular jamás observado en la historia de la humanidad”, dIce Roberto Emparan

¿Pero qué es exactamente lo que se ha encontrado? Así lo cuenta Emparan: “Hace 1.300 millones de años el espacio-tiempo lanzó un aullido descomunal al retorcerse hasta su límite durante la fusión de dos agujeros negros (con masas de 36 y 29 soles respectivamente) para formar uno solo (de 62 masas solares). Ese grito, atenuado por la enorme distancia hasta convertirse en un murmullo casi imperceptible, es lo que llegó a la Tierra el pasado 14 de septiembre y fue oído por los dos detectores de LIGO”.

“No es exagerado decir que aquella colisión de agujeros negros es el suceso más espectacular jamás observado en la historia de la humanidad. Trate de imaginarlo: concentramos, en un espacio inferior a 100 km más de veinte veces la masa del Sol. Lo hacemos de nuevo con otro objeto situado también a unos 100 km, y los ponemos a girar uno en torno a otro 75 veces por segundo, a una velocidad próxima a la mitad de la de la luz. En este proceso se aniquilan tres masas solares (3=36+29-62) que se convierten en la energía (E=m c2) de un tsunami de espacio-tiempo, con una intensidad tal, que rompería en pedazos a cualquiera que estuviese en su vecindad. El mayor espectáculo, ya no del mundo, sino del universo”.

Según los científicos por ahora solo se ‘ha oído’ el grito de esos agujeros negros, pero en cualquier momento se podrán detectar otros 'sonidos' que ahora ni siquiera se imaginan. Las posibilidades que se abren con la recién estrenada astronomía de ondas gravitatorias son inmensas.

Espaldarazo para la física

J. A. Font Roda. / UV

“Un gran número de áreas de conocimiento en física se van a ver afectadas”, adelanta José Antonio Font Roda, director del departamento de Astronomía y Astrofísica en la Universidad de Valencia, quien destaca su aplicación en tres campos principales: astrofísica, relatividad y cosmología.

“En astrofísica progresaremos en el conocimiento de la historia de las estrellas, los agujeros negros y las estrellas de neutrones, también en la física sobre la materia nuclear, en aspectos como la ecuación de estado”, enumera.

J. Font Roda: “Tanto la astrofísica, la relatividad como la cosmología podrán aplicar el descubrimiento”

“En relatividad se confirmará la velocidad de las ondas gravitatorias, se pondrán cotas para la masa del gravitón, se testearán los teoremas de unicidad de agujeros negros, se estudiará la dinámica de dos cuerpos y los denominados acoplamientos spin-órbita y spin-spin, entre otros –añade–. Y en cosmología se podrán medir mejor los parámetros cosmológicos y su variación con el corrimiento al rojo, mejoraremos nuestro conocimiento sobre la energía oscura, avanzaremos en el conocimiento del origen del universo y en la relación entre la mecánica cuántica y la relatividad general…”.

Multitud de posibilidades, y todas gracias a la confirmación de una predicción de Einstein de hace cien años: "Observó que sus ecuaciones de campo gravitatorio de la relatividad general, cuando se analizan lejos de las distribuciones de masa que generan los campos gravitatorios, se transforman en ecuaciones de onda para ciertas cantidades relacionadas con el potencial gravitatorio. Las soluciones de esa ecuación son precisamente las denominadas ondas gravitatorias, que se interpretan como oscilaciones del espacio-tiempo producidas por las aceleraciones de masas en regiones compactas y que se propagan a la velocidad de la luz", explica el profesor.

Buenas noticias para los compañeros de LIGO

Font Roda considera que todos los experimentos destinados a detectar ondas gravitatorias se van a beneficiar del nuevo descubrimiento, y no son pocos. Aparte de Advanced-LIGO (la actual versión mejorada de LIGO), hay observatorios de ondas gravitatorias también en Europa, como GEO600 en Hannover (Alemania) y VIRGO cerca de Pisa (Italia), junto al detector japonés KAGRA, actualmente en construcción.

Carlos F. Sopuerta. / CESGA

También existen estudios de diseño de detectores europeos de tercera generación, como el Einstein Telescope, así como el observatorio espacial eLISA de ondas gravitatorias que la Agencia Espacial Europea (ESA) ya ha programado lanzar en 2034.

“Para demostrar la tecnología de ese observatorio, la ESA ha desarrollado la misión precursora LISA Pathfinder, que despegó el 3 de diciembre de 2015 y actualmente se encuentra en el llamado punto de Lagrange L1 preparándose para comenzar los experimentos científicos en marzo de este año”, explica Carlos F. Sopuerta desde el Instituto de Ciencias del Espacio (CSIC-IEEC), un centro que ha contribuido con varios dispositivos a este proyecto.

“Para acceder a la banda baja de frecuencias necesitamos poner un observatorio en el espacio”, explica C. F. Sopuerta

“LIGO y otros detectores terrestres operan en la banda de altas frecuencias, desde donde se puede ver o ‘escuchar’ colisiones de sistemas binarios con estrellas de neutrones y agujeros negros, explosiones de supernovas y púlsares, entre otros objetos”, apunta Sopuerta, “pero para acceder a la banda baja de frecuencias necesitamos poner un observatorio en el espacio, ya que el ruido sísmico y variaciones del campo gravitatorio terrestre hacen imposible ver ondas gravitatorias por debajo de un hercio”.

“La banda de bajas frecuencias también es muy rica en ciencia, ya que permite observar fenómenos como la colisión de agujeros negros supermasivos (con millones de veces la masa del Sol), la captura de objetos estelares por agujeros negros supermasivos, y miles de sistemas binarios ultracompactos en nuestra propia galaxia, a parte de posibles fondos de radiación gravitatoria de origen cosmológico”, explica.

En cualquier caso, el físico coincide con sus colegas en que el anuncio de LIGO es un “hecho histórico”, que establece el comienzo de la astronomía de ondas gravitatorias como una nueva disciplina científica experimental y observacional. La búsqueda de nuevos eventos cósmicos, posibles e inimaginables, no ha hecho más que empezar.

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Animación de ondas gravitacionales originadas por la colisión de dos agujeros negros convertidas en ondas de sonido. En los dos primeros pases, las frecuencias de las ondas de audio se corresponden exactamente con las de las ondas gravitacionales. En los otros dos pases los sonidos se emiten pero a frecuencias más altas que se ajustan mejor al rango de la audición humana; para finalizar de nuevo con las frecuencias originales dos veces./ LIGO

Fuente: SINC
Derechos: Creative Commons