El pasado 11 de febrero David Reitze, Kip Thorne -el singular físico teórico de Caltech especializado en la gravedad y sus efectos- y su equipo de colegas del observatorio interferométrico LIGO en los Estados Unidos, anunciaron la confirmación experimental por primera vez en la historia de la existencia de ondas gravitaciones, un fenómeno físico tan sutil y difícil de detectar, que sólo la paciencia acompañada de una poderosa y fina tecnología pudieron develar. Las ondas gravitacionales pasaron así de ser una mera predicción teórica en la mente de Albert Einstein hace 100 años, a una contundente realidad verificable hoy en el espacio.
Einstein fue sin duda alguna el físico más importante del siglo XX y es considerado unánimemente por la comunidad científica internacional uno de los personajes más influyentes en toda la historia de la ciencia. Lo recordamos particularmente por su famosa teoría de la relatividad en sus dos versiones, especial y general, que desarrolló y presentó a sus colegas europeos entre 1905 y 1915 siendo un joven científico alemán de origen judío. La relatividad, extraña y compleja para los mismos físicos, contraintuitiva y con implicaciones tan inverosímiles como fantásticas -hoyos negros, el Big Bang por ejemplo-, es hoy una de las teorías más sólidas de la ciencia, confirmada por observaciones y experimentos a lo largo de varias décadas en los laboratorios, aceleradores de partículas y observatorios astronómicos alrededor del mundo por varias generaciones de científicos.
La relatividad general, como toda teoría científica seria que se jacte de serlo, era capaz no sólo de explicar o justificar una serie de fenómenos físicos en el universo, sino además de predecir nuevos efectos aun no observados. Uno de los efectos que Einstein predecía podrían ocurrir era el ahora llamado efecto de lente gravitacional. En su teoría, Einstein explicaba que la aparente “fuerza” que parece mantener a la luna atada a la Tierra, o a la Tierra atada al sol (la gravedad), en realidad no es tal, sino una “deformación” de un tejido invisible y flexible en el espacio que él llamó el continuo espacio-tiempo. De acuerdo a esta imagen, el espacio entero puede entenderse como constituído por este tejido, que mientras esté libre de masas u objetos pesados que lo deformen, permanece inalterado y parejo. Pero como sucede en nuestro universo, el espacio sí contiene objetos masivos como planetas, estrellas y galaxias, y por lo tanto ese tejido invisible se deformará por el peso de tales objetos.
Una analogía clásica de este fenómeno es un colchón sin ninguna persona o peso encima, que representa el espacio-tiempo no deformado. Sabemos que en cuanto pongamos una bola de boliche sobre él, el colchón se deformará y hundirá, tal como el espacio-tiempo es deformado por los masivos cuerpos celestes. De esta manera, si la distorsión de ese tejido invisible es causada digamos, por una estrella en el espacio, entonces los planetas alrededor de ella girarán y permanecerán cautivos no porque la estrella los atraiga por medio de la “fuerza de gravedad”, sino porque el hundimiento del tejido causado por el peso de la estrella hace que dichos planetas “caigan” a ese hundimiento a la vez que giran alrededor de ella. Es extraordinario que este modelo tan extraño para explicar la forma de las órbitas y los movimientos planetarios observados sea tan correcto como el justificarlos dando por hecho, como nuestra intuición dice, que la fuerza de gravedad existe. Para Einstein no hay fuerzas entre cuerpos celestes, sólo deformaciones de ese tejido espacio-tiempo que explican igualmente bien cómo los astros se mueven.
Pero Einstein y la relatividad general iban más allá: si el objeto era tan pesado como para deformar el tejido espacio-tiempo considerablemente, entonces hasta la misma trayectoria en línea recta de un rayo de luz podría ser afectada por dicho hundimiento. La luz, que tan veloz e inalterable nos parece, podría también ser afectada por tal hundimiento y “atraída” hacia él. Entonces, un rayo de luz podría ser “doblado” o desviado por un cuerpo masivo en el espacio que estuviera en su camino. La exótica predicción ahí estaba y había que confirmarla a través de observación cuidadosa o un experimento bien controlado. El astrofísico inglés Sir Arthur Eddington vio la oportunidad de confirmar -o desmentir- esta rara predicción de Einstein durante un eclipse total de sol ocurrido el 19 de mayo de 1919. La relatividad predecía que siendo tan masivo, el sol distorsiona el tejido espacio-tiempo y “dobla” la luz que en línea recta nos llegaría de las estrellas. Durante la oscuridad de un eclipse total de sol, es posible ver tales estrellas, particularmente las que se encuentran cerca del sol en el cielo vistas desde nuestra perspectiva. Einstein predecía que si el sol doblaba la luz de las estrellas lejanas, entonces las posiciones de éstas en el cielo antes y después del eclipse deberían cambiar, según vistas desde la Tierra (si el sol no doblara esa luz, las posiciones de tales estrellas serían siempre las mismas en el cielo). Esta observación es de tal trascendencia, que personalmente no resistí la tentación de recrearla con Stellarium en el laboratorio de astronomía con nuestros estudiantes en UTEP.
Eddington confirmó que las estrellas cambiaban sus posiciones y por lo tanto proporcionó evidencia directa en favor de que cuerpos masivos pueden alterar la trayectoria de la luz, por ende presentando pruebas fehacientes de que la relatividad general de Einstein describía correctamente la realidad física. Por estos resultados de Eddington, Einstein se convirtió de la noche a la mañana en una superestrella del mundo científico.
Las ondas gravitacionales, otra predicción de la relatividad general, requirieron un salto tecnológico de 100 años para poder ser confirmadas. En este mismo esquema del tejido espacio-tiempo deformable por cuerpos masivos, las ondas gravitacionales se entienden como las oscilaciones o “temblores” de tal tejido por ejemplo cuando un planeta gira alrededor del sol, pero particularmente cuando dos cuerpos muy masivos giran alrededor uno del otro, o se funden en uno solo, en cuyo caso los “temblores” del tejido espacio-tiempo se vuelven más intensos, y por lo tanto detectables a grandes distancias. La explicación física es que tales temblores son debidos a que los efectos de la gravedad de hecho se transmiten a la distancia como ondas en el tejido espacio-tiempo, las ondas gravitacionales. Una buena analogía es imaginar gotas de agua cayendo sobre la superficie de un líquido en reposo. Al caer las gotas, producirán ondas en el agua que se expandirán concéntricamente en la distancia. En este ejemplo, el agua representa el tejido espacio-tiempo y las ondas producidas por las gotas que hacen “temblar” el agua son las ondas gravitacionales que hacen “temblar” dicho tejido.
El observatorio interferométrico LIGO en los Estados Unidos es un arreglo en forma de “L” donde poderosos láseres miden con precisión subatómica las distancias entre pares de espejos separados por kilómetros, un par de espejos por cada brazo de la “L”, en sus extremos. El diseño de este arreglo es tal que, si una onda gravitacional llegara a la Tierra producida por algún fenómeno astronómico, resultado de ese “temblor” del tejido espacio-tiempo entre la Tierra y dicho evento cósmico, el paso de la onda por el observatorio LIGO produciría una pequeña expansión del tejido en una dirección y otra pequeña compresión en la dirección opuesta. Recordemos que una ola en el mar, otro ejemplo de una onda propagándose, produce compresiones y expansiones del agua a su paso. Lo mismo las ondas gravitacionales.
Una expansión del tejido espacio-tiempo en una dirección y una compresión en la otra significa nada menos que en el LIGO la distancia entre los espejos de un brazo de la “L” aumentará ligeramente, mientras que la distancia entre los espejos en el otro brazo disminuirá de igual manera. Estos cambios de distancia producidos por la deformación del tejido espacio-tiempo en la Tierra al paso de una onda gravitacional son tan insignificantes que sólo la precisión de láseres en interferencia pueden identificarlos. El anuncio de los científicos del LIGO fue justamente que el 14 de septiembre del 2015, una onda gravitacional producida por los temblores del tejido espacio-tiempo generados por la colisión de dos hoyos negros en órbita alrededor uno de otro, a la impresionante distancia de 1,300 millones de años-luz de la Tierra, produjo a su paso los cambios de distancia entre los espejos del observatorio predichos teóricamente por la relatividad general. La intensidad y características de la onda permitieron incluso estimar las masas de tales agujeros negros en colisión: 29 y 36 veces la masa del sol. Sólo un evento tan violento con masas tan grandes involucradas podría generar una onda gravitacional detectable a tan remota distancia.
La confirmación de la existencia de ondas gravitacionales abre una nueva ventana observacional, y de hecho conceptual al universo físico. Einstein nunca recibió el Premio Nóbel por su trabajo en relatividad -lo recibió por su aportación al entendimiento del llamado efecto fotoeléctrico, en 1921, la clave del funcionamiento hoy de las celdas solares y las cámaras digitales-. La relatividad general sin embargo se consolida con el anuncio de LIGO, que hizo posible este nuevo exitazo premonitorio de Einstein.
Héctor Noriega Mendoza
Ponente. Investigador.
Maestría en Astronomía (UNAM | NMSU) y Doctor en Astronomía por la Universidad Complutense de Madrid (UCM)
Fundador de la Sociedad Astronómica Juarense, Cofundador del Proyecto Abel, Miembro de la Sociedad Mexicana para la Divulgación de la Ciencia y la Técnica, Miembro de la American Astronomical Society y Profesor de tiempo completo de Astronomía en UTEP.
