La onda gravitacional y la importancia de su verificación

La onda gravitacional y la importancia de su verificación
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Ciencia
La onda gravitacional y la
importancia de su verificación
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Fecha de publicación en línea: Jueves 18 de febrero de 2016
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La onda gravitacional y la importancia de su verificación
La comprobación empírica, hace unos días, de la existencia de ondas gravitacionales gracias al experimento del
LIGO/1 (EE UU) es sin duda una proeza técnica increíble, pero antes que nada es un acontecimiento científico
importante por dos razones: 1) confirma la teoría de la relatividad general, y 2) abre una vía totalmente nueva de
exploración del Universo. Este artículo pretende situar en perspectiva este descubrimiento-
El anteojo de Galileo
Desde la noche de los tiempos, pastores, marinos, astrólogos, sacerdotes, astrónomos y sabios escrutan los cielos.
Al principio lo hacían con los medios disponibles: observando a simple vista las luces provenientes de los astros.
Después, en el Renacimiento, Galileo Galilei tuvo la idea de ampliar esa luz con ayuda del anteojo de los
holandeses. Descubrió las montañas de la Luna, los satélites de Júpiter, las manchas solares y sobre todo la
confirmación del modelo de Copérnico, que afirmaba el movimiento de la Tierra alrededor del Sol. Todo esto, que
chocaba frontalmente con la doctrina de la Iglesia, cambiaría radicalmente nuestra visión del mundo en el plano
científico, pero no solo en este, sino también en el plano social.
Las ondas de radio
Pero ¿qué era esa luz portadora de información sobre el Universo? Hubo que esperar a los trabajos de James Clerk
Maxwell, en la segunda mitad del siglo XIX, para tener una idea más precisa. En sus célebres ecuaciones, este
físico y matemático demostró la relación entre la electricidad y el magnetismo, que hasta entonces se consideraban
fenómenos separados. Demostró que las cargas eléctricas en movimiento generan una onda -llamada onda
electromagnética- que se propaga por todo el espacio. La luz visible no es más que un caso particular de esta onda,
caracterizada por su longitud de onda, de 0,4 (para el rojo) a 0,7 micras (para el violeta). En otras longitudes, esta
onda existe pero no es visible, como por ejemplo la luz infrarroja (IR) o la ultravioleta (UV). Con una longitud de onda
más pequeña que la luz UV se hallan los rayos X y luego los rayos gamma; y con una longitud de onda más grande
que la luz IR tenemos las ondas de radio.
Maxwell ignoraba todo esto, pues no hizo más que escribir una teoría que preveía esta onda. Treinta años más
tarde, Heinrich Rudolf Hertz demostró su existencia mediante un experimento que transmisión sin hilos. Imposible,
una vez más, minimizar las profundas implicaciones sociales de este descubrimiento (imaginemos una sociedad sin
internet, televisión o teléfono móvil). Y una vez más, en el terreno científico, la observación del cielo fuera del
espectro de luz visible (UV e IR) abriría nuevos horizontes.
Los neutrinos
Los neutrinos son partículas elementales neutras, postuladas en 1930 por Wolfgang Pauli para explicar la
conservación de la energía en la desintegración beta y cuya existencia se demostró experimentalmente 26 años
después. Interactúan muy poco con la materia y, aunque son difíciles de detectar, pueden vehiculizar información
procedente de regiones alejadas y densas del Universo que la observación óptica no permite obtener. Se habla de
"telescopios de neutrinos".
Las ondas gravitacionales
En 1917, Albert Einstein acabó de formular su teoría de la relatividad general. Al igual que las ecuaciones de
Maxwell, esta teoría preveía una onda que se propaga en el vacío a la velocidad de la luz (300 000
kilómetros/segundo). En Maxwell, esta onda era generada por el desplazamiento de cualquier carga eléctrica,
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mientras que ahora se trata de una onda de naturaleza muy distinta, ya que la genera el movimiento acelerado de
cualquier masa. Suele decirse que el paso de esta onda "deforma el espacio-tiempo", cosa que hemos de reconocer
que resulta poco clara para los no iniciados. La idea es que el espacio-tiempo se "deforma" con la presencia de
masas. Hacen falta masas muy grandes para que este efecto sea detectable, de lo contrario ya lo habríamos
percibido antes. Esta deformación significa en la práctica que en la proximidad del Sol, por ejemplo, los rayos
luminosos se curvan/2. Es más: cuando las masas están aceleradas, se genera una "onda gravitacional". Mientras
que las ondas electromagnéticas de Maxwell se detectaban por la aparición de una corriente eléctrica en una
antena, el paso de la onda gravitacional puede detectarse porque modifica las dimensiones de los objetos que
atraviesa. El problema es que esta alteración es tan pequeña (véase más adelante) que Einstein tenía muchas
dudas sobre las posibilidades de verificarla experimentalmente. Tienen que producirse movimientos
extremadamente rápidos de masas enormes y se necesitan detectores sumamente sensibles.
Una buena indicación de la existencia de ondas gravitacionales se obtuvo ya en 1974 con el decaimiento del periodo
orbital de un púlsar binario (una estrella que orbita alrededor de una estrella de neutrones). Esta disminución de la
órbita implica una pérdida de energía y, puesto que esta última ha de conservarse, tenía que reaparecer en la
energía de una onda gravitatoria emitida. La observación de la disminución de la órbita coincidió con las previsiones
teóricas, pero no era una prueba directa: después de todo, había otras teorías que podían explicar el fenómeno/3.
Podemos decir razonablemente que los resultados del reciente experimento del LIGO en EE UU constituyen una
prueba directa de la existencia de las ondas gravitacionales: el 14 de septiembre de 2015 a las 11:51 horas se
detectó la oscilación, durante una fracción de segundo, de dos distancias situadas a varios miles de kilómetros
exactamente de acuerdo con las previsiones teóricas que describen la coalescencia (la colisión) de dos agujeros
negros. Estas distancias consistían en los brazos de 3 km de longitud de un interferómetro láser. La pérdida de
materia a causa de la colisión, equivalente al triple de la masa del Sol, aportó la energía de la onda gravitacional.
Dicho sea de paso, también es la prueba más directa de la existencia de agujeros negros.
Un milagro técnico
Para poder "ver" una onda gravitacional es preciso que intervengan dos masas enormes (por lo menos de decenas
de veces la masa del Sol) a velocidades enormes (una fracción de la velocidad de la luz). Esto solo puede darse en
la naturaleza, pero además hay que tener la posibilidad de medir variaciones relativas de longitud infinitesimales, del
orden de 10 elevado a -20, es decir, una milmillonésima del grosor de un cabello sobre la distancia que media entre
París y Nueva York. Además, hace falta crear un vacío equivalente a 1 millonésima de la presión atmosférica en 7
000 metros cúbicos. Sin hablar ya del instrumental, que debe ser insensible a las vibraciones generadas por las olas
de un océano, aunque lejano, o de una bañera que se vacía en los alrededores. Gracias a todo ello y a unos
cuantos miles de millones de dólares sabemos ahora que el Universo conoció un cataclismo en algún lugar situado
más allá de la galaxia enana de la Gran Nube de Magallanes hace unos 1 300 millones de años.
¿Y ahora qué?
La misma pregunta se planteó con respecto al descubrimiento del bosón de Higgs. Entonces respondimos que
nunca ha habido un avance decisivo del conocimiento que no haya venido seguido, pronto o tarde, y de forma no
predecible, de implicaciones prácticas. Se trata en este caso de una confirmación contundente de la teoría de la
relatividad general en un momento en que los misterios de la materia y la energía oscuras justificaban una relectura
crítica de la misma. Se trata, finalmente, de una nueva sonda de las profundidades del Universo cuyos frutos no
tardarán en llegar.
P.D. Una lección de esta narración es también la famosa "irrazonable eficacia de las matemáticas", según expresión
de Eugène Wigner/4. En efecto, las ondas electromagnéticas se descubrieron primero sobre el papel, al igual que
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los neutrinos y también las ondas gravitacionales. Pero este es otro tema.
14/1/2016
Hubert Krivine es físico. Ha sido investigador en el Laboratorio de Física Teórica y Modelos Estadísticos de la
Universidad de París Sur. Es autor del libro La Tierra, de los mitos al saber (Biblioteca Buridán, 2012); una
presentación del mismo se puede encontrar en: http://vientosur.info/IMG/pdf/VS130_Varios_Libros_VIENTOSUR.pdf
Notas:
1/ LIGO es la sigla de Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (Observatorio de ondas gravitacionales
por interferometría láser).
2/ Los agujeros negros son astros tan masivos (de cuatro a millones de veces la masa del Sol) que la luz queda tan
curvada que no puede escapar. Conjeturados en la teoría de la relatividad general, solo son visibles por sus efectos
en otros cuerpos.
3/ Los físicos recuerdan con amargura que durante mucho tiempo creyeron que el éter era un medio que debía
existir para explicar la propagación de la luz (del mismo modo que el aire para la propagación del sonido). Claro que
todos los intentos de hallarlo fracasaron: el éter no existe; este fue, por cierto, uno de los resultados de la teoría de
la relatividad especial, formulada por Einstein en 1905.
4/ Eugène Wigner (1902-1995) era un físico húngaro nacionalizado estadounidense. Premio Nobel.
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