Los científicos han detectado directamente ondas gravitacionales por primera vez, utilizando dos observatorios estadounidenses extraordinariamente sensibles para medir las distorsiones en el espacio-tiempo creadas por la colisión de dos agujeros negros situados a más de mil millones de años luz de distancia.
El Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferometría Láser (LIGO) anunció el jueves en Washington el resultado, confirmando una predicción que Albert Einstein hizo hace un siglo en su teoría general de la relatividad. La señal fue registrada el 14 de septiembre por detectores gemelos ubicados en Luisiana y el estado de Washington, y durante los meses siguientes se sometió a análisis y verificación.
Este descubrimiento supone un hito en la física, pero también un logro de ingeniería extraordinario. Los instrumentos detectaron un cambio de distancia menor que una fracción del ancho de un protón, lo que requirió láseres, espejos, aislamiento de vibraciones, sistemas de vacío e infraestructura informática capaz de separar una señal astrofísica del movimiento constante y el ruido de la Tierra.
Una señal procedente de la colisión de dos agujeros negros
Las ondas gravitacionales se originaron a partir de dos agujeros negros que giraban en espiral uno alrededor del otro y se fusionaron en un agujero negro más grande. Los científicos de LIGO estiman que los objetos originales tenían aproximadamente 29 y 36 veces la masa del Sol, y que el agujero negro resultante tenía alrededor de 62 masas solares.
La masa que faltaba no se perdió en el sentido ordinario. Aproximadamente tres masas solares se convirtieron en energía de ondas gravitacionales durante la última fracción de segundo, produciendo una explosión lo suficientemente potente como para atravesar el universo y aún ser detectada en la Tierra.
La señal llegó al detector de Livingston, Luisiana, y luego al de Hanford, Washington, unos siete milisegundos después. Las observaciones coincidentes en dos instalaciones muy distantes confirmaron a los investigadores que estaban presenciando un evento astronómico y no vibraciones locales ni ruido de los equipos.
El evento ha sido designado como GW150914, en referencia a la fecha en que fue observado. Los científicos afirman que su significancia estadística es lo suficientemente alta como para descartar con extraordinaria certeza una fluctuación de ruido accidental.
Medición de distancias menores que un núcleo atómico
LIGO funciona dividiendo un haz láser en dos brazos perpendiculares, cada uno de cuatro kilómetros de longitud. Los haces viajan de un lado a otro entre espejos altamente reflectantes y luego se recombinan.
Si los dos brazos mantienen exactamente la misma longitud, las ondas de luz se cancelan de forma predecible. Una onda gravitacional que pasa estira el espacio en una dirección mientras lo comprime en la otra, creando una mínima diferencia en la distancia recorrida por los dos haces.
El desafío radica en la escala. El cambio que LIGO debe medir es mucho menor que un átomo. Terremotos, camiones, viento, movimientos térmicos e incluso perturbaciones microscópicas en los equipos pueden producir efectos de muchos órdenes de magnitud mayores.
Por lo tanto, los ingenieros construyeron los interferómetros dentro de enormes sistemas de vacío y suspendieron los espejos mediante elaborados sistemas de aislamiento de vibraciones. El Advanced LIGO, una importante mejora completada antes de la actual campaña de observación, aumentó la sensibilidad lo suficiente como para que la primera detección directa fuera posible casi de inmediato.
LIGO avanzado convierte décadas de trabajo en una detección
La Fundación Nacional de Ciencias ha apoyado a LIGO durante décadas, convirtiéndolo en una de las mayores inversiones a largo plazo de la agencia en física experimental. Caltech y el MIT concibieron y operan los observatorios con la participación de una amplia colaboración científica internacional.
La primera generación de instrumentos LIGO operó durante años sin detectar directamente ondas gravitacionales. Esta ausencia no se consideró prueba de que las ondas no existieran; más bien demostró que los instrumentos necesitaban mayor sensibilidad para observar eventos que se esperaban que fueran raros y distantes.
La actualización Advanced LIGO mejoró los láseres, los espejos, el aislamiento sísmico, los controles y los sistemas de datos. Según el Laboratorio LIGO, los detectores mejorados pueden explorar un volumen del universo mucho mayor que sus predecesores.
El resultado ilustra una característica distintiva de la ciencia moderna: los grandes descubrimientos a menudo dependen tanto del desarrollo sostenido de la ingeniería como de un único avance teórico. Einstein formuló la predicción matemática en 1916, pero la observación directa del fenómeno requirió tecnologías que no estuvieron disponibles durante la mayor parte del siglo siguiente.
Un nuevo tipo de astronomía
Hasta ahora, casi todo lo que los astrónomos saben sobre los objetos distantes proviene de la radiación electromagnética: luz visible, ondas de radio, rayos X, radiación infrarroja y otras partes del espectro.
Las ondas gravitacionales transportan un tipo de información diferente. Se generan por la aceleración de masas y pueden viajar a través de la materia sin ser absorbidas ni dispersadas de la misma manera que la luz.
Esto significa que los astrónomos podrían estudiar eventos difíciles o imposibles de observar con telescopios convencionales. La fusión de agujeros negros es un ejemplo claro, ya que estos no emiten luz directamente. Sin embargo, su interacción gravitacional puede generar poderosas ondas en el espacio-tiempo.
Los investigadores comparan este avance con la adquisición de un nuevo sentido. La astronomía se ha basado tradicionalmente en la observación del universo. Los observatorios de ondas gravitacionales podrían permitir a los científicos "escuchar" eficazmente los violentos eventos cósmicos a través de patrones codificados en el espacio-tiempo cambiante.
La detección también confirma la fusión de agujeros negros
La señal proporciona algo más que una confirmación de las ondas gravitacionales. Es también la primera evidencia directa de la fusión de un sistema binario de agujeros negros.
Los astrónomos tenían sólidas razones teóricas para creer que tales sistemas existen, pero la colisión observada por LIGO proporciona una medición directa de las etapas finales del proceso.
La forma de onda coincide estrechamente con las predicciones de la relatividad general de Einstein para dos objetos compactos masivos que giran en espiral. Esto brinda a los físicos la oportunidad de poner a prueba la teoría en condiciones de gravedad extremadamente intensa que no se pueden reproducir en la Tierra.
Hasta el momento, la señal observada es consistente con la relatividad general. Futuras detecciones podrían proporcionar pruebas cada vez más precisas y, eventualmente, revelar comportamientos que la teoría actual no explica completamente.
La informática es esencial para el descubrimiento
Si bien el hardware de LIGO acapara gran parte de la atención, la capacidad de procesamiento informático es igualmente importante. Los detectores generan continuamente grandes volúmenes de datos que contienen tanto posibles señales astrofísicas como enormes cantidades de ruido de fondo.
Los investigadores utilizan algoritmos sofisticados para comparar los datos con las formas de onda previstas para diferentes tipos de eventos cósmicos. Los recursos informáticos distribuidos en universidades y centros de investigación ayudan a procesar las observaciones y a determinar si una señal candidata es genuina.
La colaboración en sí es internacional y está altamente interconectada. Cientos de investigadores contribuyen al desarrollo de instrumentos, al análisis de datos y a la modelización teórica, mientras que los clústeres informáticos permiten que equipos separados por continentes trabajen en las mismas observaciones.
Por lo tanto, este descubrimiento refleja la convergencia del hardware de precisión, la computación a gran escala y la física teórica.
Una sola detección es el comienzo, no el final
Los científicos esperan recibir más señales a medida que Advanced LIGO continúe sus observaciones y aumente su sensibilidad. La instalación de detectores adicionales, ya sea planificada o en construcción en todo el mundo, podría mejorar la capacidad de determinar el origen de las ondas gravitacionales en el cielo.
Una red global también permitiría a los astrónomos coordinar las observaciones de ondas gravitacionales con telescopios convencionales. Si un evento futuro produce tanto ondas gravitacionales como luz, los investigadores podrían estudiarlo simultáneamente a través de múltiples fuentes de información.
No hay garantía de que cada nueva observación sea tan impactante como la primera, y el campo sigue siendo técnicamente exigente. Pero la pregunta fundamental —si las ondas gravitacionales pueden medirse directamente en la Tierra— ya tiene respuesta.
La predicción de Einstein sobrevivió un siglo antes de que la tecnología permitiera comprobarla directamente. Esta semana, dos instrumentos de cuatro kilómetros de longitud, ubicados en Luisiana y Washington, midieron los últimos instantes de la colisión de dos agujeros negros hace más de mil millones de años. Su importancia científica es inmensa, pero la lección tecnológica es igualmente sorprendente: al medir cambios casi inimaginablemente pequeños, los ingenieros han proporcionado a la humanidad un instrumento completamente nuevo para observar el universo.
