Ondas Gravitacionales II: El Experimento

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Ahora que ya sabemos qué son las ondas gravitacionales, como se propagan y por qué son tan débiles, hoy voy a contaros uno de los mayores hitos de la física experimental: su detección. Antes de seguir, si te perdiste la primera entrega de esta saga, puedes leerla aquí:

Entre 1915 y 1916 Albert Einstein publicó la teoría de la Relatividad General y de ella se deduce que el espacio-tiempo debe vibrar. Los eventos masivos, como la traslación de un planeta, las estrellas binarias, los movimientos de las galaxias, o las supernovas producen perturbaciones y transmiten energía al espacio-tiempo y esta energía se propaga en forma de onda. Esta fue una conclusión muy criticada, de la que ni el mismo Einstein estaba seguro. Pero las matemáticas no engañan y poco a poco, toda una generación de científicos se lanzaron a la búsqueda de ondas gravitacionales.

El pionero en estos experimentos fue Joseph Weber, quien construyó una especie de diapasón gigante con barras macizas de aluminio puro de dos metros de largo y uno de diámetro, suspendidas horizontalmente en el aire mediante cables para que pudieran moverse lo más libremente posible. Se suponía que al pasar una onda gravitacional de una cierta frecuencia, entraría en resonancia con su diapasón. Las barras vibrarían y unos sensores de cristal emitirían un tintineo. El problema es que cualquier mosca que pasase por allí, cualquier vibración del suelo por unos pasos, un suspiro, activaba el sistema. Weber dedicó su vida a mejorar el experimento y en 1969 publicó a bombo y platillo que sus barras habían observado una onda gravitacional. Sin embargo la comunidad científica coincidía en que su aparato no era lo suficientemente sensible y que las posibles interferencias eran muchas y no avalaron sus resultados. Weber murió aún empecinado en que había sido el primer hombre en escuchar las vibraciones del espacio-tiempo en contra de la opinión de la comunidad científica, que poco a poco le había ido dando la espalda.


Nadie cree que Weber pudiera detectar Ondas Gravitacionales, pero todos coinciden en que fue el primer científico en creer que era posible hacerlo


Hoy en día tampoco encontraremos a nadie que le adjudique este mérito. Pero sí a muchos que creen que fue su indiscutible pasión y su ferviente fé en que detectar ondas gravitacionales era posible, lo que impulsó a toda una generación. Y un día, en el verano de 1975, Rainer Weiss y Kip Thorne se conocieron. El primero tenía un prototipo de detector en el MIT y el segundo era un joven relativista muy reputado. Juntos formaron un equipo internacional de científicos que diseñaron, construyeron y mejoraron el experimento que el 14 de septiembre de 2015 detectó, esta vez sin lugar a dudas, una onda gravitacional.

Tenemos dos agujeros negros muy masivos. Esos dos agujeros negros se encuentran lo suficientemente cerca como para atraerse el uno al otro, lo que provoca que se orbiten mutuamente a tan solo 400Km de distancia. Este movimiento de cuerpos tan masivos transmite parte de la energía del giro al espacio-tiempo, perturbándolo y provocando una onda gravitacional muy débil.

Dado que la onda se lleva parte de la energía, los dos agujeros negros se acercan un poco más. Siguen rotando y cediendo energía en forma de ondas gravitacionales, y debido a la pérdida de energía se siguen acercando. Más y más hasta que en un momento dado, en un instante, se fusionan y forman un sólo agujero negro. Ese evento produce una enorme perturbación, es nuestra la piedra gigantesca que necesitamos para que la onda sea tan enorme como para poder detectarla.

Después de ese instante, sólo tendremos la negrura absoluta. No se ha producido ninguna luz, ni explosión ni sonido. Pero mientras el nuevo y colosal agujero negro se estabiliza, emite un último pulso, débil pero aún detectable.

En las ondas viaja energía, y la energía es información. Es gracias al análisis de las ondas previas a la fusión como sabemos que los dos agujeros negros originales tenían 29 y 36 masas solares y un tamaño de un centenar de kilómetros de diámetro. Y analizando la última onda gravitatoria, sabemos que el agujero negro resultante tiene 62 veces la masa del Sol. No nos salen las cuentas, ¿verdad? Nos faltan 3 soles. Recordando una vez más a Einstein, sabremos que masa y energía son equivalentes, son exactamente lo mismo. Lo que ha ocurrido aquí es que las masas de esos 3 soles se ha escapado del sistema en el momento de la fusión viajando en la onda gravitacional en forma de energía. Y sabemos todo esto porque es precisa y exactamente lo que LIGO midió el 14 de Septiembre de 2015.


Es necesario un evento enormemente energético para que la onda gravitacional sea detectable, como la fusión de dos agueros negros


LIGO es un interferómetro láser. Su funcionamiento es sencillo: un haz láser se divide en dos y viaja por dos caminos perpendiculares entre sí. En principio ambos caminos son iguales (4Km) y al final de cada uno hay un espejo en el que rebota su respectivo haz y vuelven ambos al divisor, donde esta vez se suman ambas ondas. Dado que sabemos la velocidad a la que viaja la luz del láser y la distancia que va a recorrer cada uno (8Km, 4 de ida y 4 de vuelta), sabemos el tiempo que vamos a tardar en tener la onda resultante.

Si no ha pasado ninguna onda gravitacional que deforme el camino que recorre uno de los haces (tal y como vimos que hace en el primer post de la saga), al sumar los dos haces obtendremos una señal plana, ya que ambas ondas están en contrafase y se aniquilan al sumarse. Ahora bien, si una onda gravitacional pasa y deforma uno de los dos caminos, ese haz recorrerá un camino diferente y cuando ambos se encuentren la suma ya no será una aniquilación, sino que obtendremos un patrón de interferencia.

El problema es que para detectar ondas gravitacionales tenemos que ser capaces de medir variaciones del tamaño de la milésima parte del tamaño del núcleo atómico. Si bien obtener esa precisión fue una tarea titánica, lo verdaderamente difícil fue determinar todas las posibles interferencias para descartar falsos positivos. Se tuvieron en cuenta: las variabilidades a la hora de emitir el láser, las vibraciones por la agitación térmica de los componentes del detector, las vibraciones sísmicas, el efecto de las olas que golpean las costas del continente, los impactos de rayos cósmicos, las variaciones del campo gravitatorio que crea la atmósfera y la meteorología…


LIGO representa el esfuerzo conjunto de una comunidad inmensa de científicos e ingenieros con un único objetivo, escuchar el espacio-tiempo


Y lo consiguieron. Primero el 14 de septiembre de 2015, y posteriormente en 11 ocasiones más hasta hoy. Os dejo aquí el catálogo en español.