Las ondas gravitatorias que han sido observadas fueron creados en una feroz colisión entre dos agujeros negros, hace más de mil hace millones de años. Albert Einstein tenía razón de nuevo. Había transcurrido un siglo desde que las ondas gravitacionales fueron predichas en su teoría general de la relatividad, pero se había dudado de su existencia.

Ahí entro LIGO, el Observatorio de Ondas Gravitacionales del Interferómetro Láser, un proyecto colaborativo con más de mil investigadores en más de veinte países. Juntos, han realizado una tarea que tiene casi cincuenta años. Los premios Nobel de 2017 han servido para el éxito de LIGO. Rainer Weiss, Kip S. Thorne junto con Barry C. Barish, quienes se han asegurado de que más de cuatro décadas de esfuerzo condujeran a que finalmente se observaran ondas gravitacionales.

Los rumores comenzaron a circular alrededor de cinco meses antes de que el grupo de investigación internacional terminara  de refinar sus cálculos, pero no se atrevieron a anunciar sus hallazgos hasta el 11 de febrero de 2016. Los investigadores de LIGO reunieron varios expedientes con su primer descubrimiento; además de la primer observación de las ondas gravitacionales, resultado de la fusión de agujeros negros medianos de entre 30 y 60 masas solares. Por un corto momento, la radiación gravitacional de los agujeros negros que colisionaban fue mucha mayor a la luz recogida de todas las estrellas en el universo visible.

El espacio-tiempo vibra

Cómo atrapar una onda gravitacional. Las primeras ondas gravitacionales capturadas del mundo fueron creadas en una colisión violenta entre dos agujeros negros hace 1.3 mil millones años luz de distancia. Cuando estas ondas atravesaron la Tierra, 1,300 millones de años después, se habían debilitado considerablemente: la perturbación en el espacio-tiempo que LIGO midió fue miles de veces menor que un núcleo atómico. Créditos: Nobel Foundation.

Estaba completamente oscuro. Pero no completamente quieto. Los temblores de dos agujeros negros colisionaron sacudieron el tiempo-espacio. Como ondulaciones de un guijarro lanzado al agua, las ondas gravitacionales se propagaron a través del cosmos. Les llevó tiempo llegar. A pesar de moverse a la velocidad de la luz, tardaron más de mil millones de años para que estas ondas llegarán hasta la Tierra. El 14 Septiembre de 2015, a las 11.51 CET, un suave bamboleo en el patrón de luz en los laboratorios gemelos de LIGO en América reveló el drama que se desarrolló hace mucho tiempo a  1,300 millones de años luz de la Tierra.

LIGO no es un telescopio ordinario para detectar la luz y otras radiaciones electromagnéticas del espacio. Es un instrumento para detectar las ondas gravitacionales del espacio; incluso si las ondas gravitacionales son temblores en el espacio-tiempo en sí, y no ondas sonoras, cuya frecuencia es equivalente a las que podemos escuchar con nuestro oído.

Durante décadas, los físicos han tratado de detectar estas ondas gravitacionales que sacuden el universo,  que Albert Einstein describió hace cien años. Explicó que el espacio y el tiempo son maleables y que el espacio-tiempo combinado en una cuarta dimensión vibra con las ondas gravitacionales que son creadas cuando una masa acelera -como la explosión de una estrella en una galaxia distante o un par de agujeros negros girando alrededor del otro-.

Al igual que las ondas gravitacionales, los agujeros negros también son descritos por la teoría general de la relatividad de Einstein de 1915. Durante más de cincuenta años, la mayoría de los investigadores permanecieron convencidos de que sólo existían agujeros negros como soluciones a las ecuaciones de Einstein, y que en realidad no estaban en el espacio. La teoría de relatividad explica la gravedad como una curvatura del espacio-tiempo. Donde la gravedad es extremadamente fuerte, la curvatura puede llegar a ser tan grande que se forma un agujero negro. Los agujeros negros son los objetos más extraños en el espacio-tiempo -nada puede escapar de ellos, ni siquiera la luz-. Por lo tanto, son una fuente constante de misterio en la física.

Las ondas gravitacionales traen la esperanza de observar algo antes no pensado. Durante muchos años, Albert Einstein estuvo convencido de que nunca sería posible medir las ondas gravitacionales y no estaba seguro de si las ondas eran reales o simplemente una ilusión matemática. Su colega contemporáneo, Arthur Eddington, fue aún más escéptico y señaló que las ondas gravitacionales parecían "propagarse a la velocidad del pensamiento ".

La existencia de ondas gravitacionales se hizo más aceptada hacia fines de la década de 1950, cuando los cálculos demostraron que en realidad transportan energía y, por lo tanto, podían ser medibles. Una pieza de evidencia indirecta vino en los años 70, cuando los astrónomos americanos Joseph Taylor y Russell Hulse utilizaron un radiotelescopio grande para observar un par de objetos extremadamente densos, un pulsar doble. Ellos fueron capaces de demostrar que las estrellas giraban alrededor de cada una aumentando su velocidad, al mismo tiempo que pierden energía y se acercan. La cantidad de energía perdida correspondía a los cálculos teóricos de las ondas gravitacionales. Joseph Taylor y Russell Hulse fueron premiados con el Premio Nobel de Física en 1993.

Sin embargo, la obtención de evidencia directa de las ondas gravitacionales requiere observaciones directas de las ondas. Pero el espacio-tiempo es rígido y no es fácil de sacudir, por lo que sólo los procesos cósmicos más violentos pueden causar ondas gravitacionales lo suficientemente grandes como para medirlas. Sin embargo, su amplitud es pequeña: detectarlos es como medir la distancia a una estrella de diez años luz con una precisión equivalente al diámetro de un mechón de pelo.  Además, incluso si el universo entero vibra constantemente con las ondas gravitatorias, la mayoría de los eventos explosivos rara vez ocurren en nuestra galaxia. Teníamos que buscar más lejos.

Las ondas gravitacionales revelan el pasado

Hasta ahora cuando las ondas gravitacionales fueron detectadas por LIGO. Los dos agujeros negros
que finalmente chocaron se habían movido en círculos alrededor de cada uno desde su creación, a principios de la historia del universo. Con cada ciclo, barrían el espacio-tiempo en una espiral, una perturbación del espacio-tiempo que se propagaban cada vez más hacia el espacio en forma de ondas gravitatorias.

Las ondas llevaban energía, haciendo que los agujeros negros se acercaran. Cuanto más cerca su movimiento en espiral, más rápido los agujeros negros giraban y más energía era enviada en una danza acelerada que continuó durante muchos millones de años. Al final, en una fracción de segundo, los horizontes de los agujeros negros se tocaron y los agujeros giraron hasta su fin a casi la velocidad de la luz. Cuando se fundieron, todas las vibraciones se extinguieron,dejando atrás un solo agujero negro rotatorio sin huellas visibles de su dramática aparición.

Pero el recuerdo de esta unión no está completamente perdido, su historia permanece en ondulaciones del espacio-tiempo. Las ondas gravitacionales, que rítmicamente se estiran y aprietan el espacio, cambian el tono como su mensaje se altera. Si pudiéramos escuchar todas las ondas y no sólo las más fuertes, todo el universo estaría lleno de música, como los pájaros que gorjean en un bosque, con un tono más alto aquí y uno más reservado allá. Después de miles de millones de años, a medida que el dúo de agujeros negros se aceleró hacia su colisión caótica final, los tonos aumentaron antes de que se desvanecieran en un silencio que no revela nada.

Sólo ahora se escuchan los últimos chirridos a través del espacio. ¿Por qué son tan tranquilos? Esto es porque su fuente estaba tan lejos y las ondas gravitacionales, como las ondas de luz, se debilitan con la distancia. Asi que cuando las ondas gravitacionales llegan aquí, su fuerza ha disminuido significativamente - el estiramiento en el tejido del espacio-tiempo que el detector LIGO tuvo que atrapar cuando la onda pasó a la Tierra fue veces más pequeño que un núcleo atómico.

LIGO - un gigantesco interferómetro

El sueño había existido durante más de cincuenta años, y el camino al éxito fue largo, sinuoso y a veces difícil para muchos de los investigadores involucrados. Uno de los primeros detectores para capturar las ondas gravitacionales se asemejaban a un diapasón, sensible a las ondas de una frecuencia particular. Pero José Weber en la Universidad de Maryland en Washington sólo pudo adivinar la frecuencia con que los agujeros negros cantarían su canción del cisne. Construyó el primer detector en los años 60, pero en ese momento muchas personas dudaban de que existían incluso ondas gravitacionales y agujeros negros. Así que fue una sorpresa cuando, en la década de 1970, Weber afirmó haber escuchado estos tonos finales. Sin embargo, nadie pudo repetir los resultados de Weber y sus observaciones se consideran falsas alarmas.

A mediados de los años setenta, a pesar del escepticismo generalizado, tanto Kip Thorne como Rainer Weiss estaban firmemente convencidos de que las ondas gravitacionales podían ser detectadas y producir una revolución en nuestro conocimiento del universo. Rainer Weiss ya había analizado posibles fuentes de ruido de fondo que perturbaba sus mediciones. También había diseñado un detector, un interferómetro láser, que superaría este ruido.

Mientras Rainer Weiss desarrollaban sus detectores en el MIT en Cambridge, fuera de Boston, Kip Thorne también comenzó a trabajar con Ronald Drever, quien construyó sus primeros prototipos en Glasgow, Escocia. Drever finalmente se trasladó para unirse a Thorne en Caltech en Los Ángeles. Juntos, Weiss, Thorne y Drever formaron un trío que fue pionero en el desarrollo durante muchos años. Drever finalmente terminó fuera del proyecto, pero fue capaz de experimentar su primer descubrimiento en Escocia en marzo de 2017.

En lugar del diseño de la horquilla de Weber, Weiss, Thorne y Drever desarrollaron otro instrumento,un interferómetro basado en láser. El principio se conoce hace mucho tiempo: un interferómetro consta de dos brazos que forman una L. En la esquina y los extremos de la L, los espejos masivos están suspendidos en un dispositivo inteligente. Una onda gravitacional al pasar afecta los brazos del interferómetro de manera diferente, cuando un brazo es comprimido, el otro es estirado.

Un rayo láser que rebota entre los espejos mide el cambio en las longitudes de los brazos. Si nada sucede, los rayos de luz rebotantes del láser se cancelan mutuamente cuando se encuentran en la esquina de la L. Sin embargo, si cualquiera de los brazos del interferómetro cambia de longitud, la luz viaja a distancias diferentes, por lo que las ondas de luz pierden la sincronización y ocurren cambios de intensidad de luz.

La idea es bastante simple, pero su efectividad esta en los detalles, así que se tardó más de cuarenta años en darse cuenta. Se requieren instrumentos a gran escala para medir cambios microscópicos de longitudes menores que las de un núcleo átomico. El plan era construir dos interferómetros, cada uno con brazos de cuatro kilómetros de largo a lo largo de los cuales el rayo láser rebotará muchas veces, extendiendo así el camino de la luz y aumentando la probabilidad de detectar pequeños tramos en el espacio-tiempo. LIGO se encuentra en las estepas del noroeste de Estados Unidos, fuera de Hanford, Washington, con una instalación gemela a tres mil kilómetros al sur, en los pantanos de Livingston, Luisiana.

Se necesitaron años para desarrollar el instrumento más sensible para poder distinguir entre ondas gravitacionales del ruido de fondo. Esto requería un análisis sofisticado y una teoría avanzada, donde Kip Thorne era el experto. Pero los niveles más altos de ingeniería creativa y artesanal son necesarios para construir instrumentos ingeniosos, y esta fue la contribución pionera de Rainer Weiss. La longitud de onda e intensidad de la luz láser debe ser lo más estable posible, y el haz debe atravesar los espejos suspendidos con precisión. No deberían moverse en absoluto, ni siquiera cuando las hojas caen de cerca, un niño se acerca o un camión pasa por un camino lejano. Al mismo tiempo, estos espejos colgantes debe ser libre de oscilar al pasar ondas gravitatorias. El movimiento térmico de los átomos en la superficie de los espejos debe ser compensada, así como los efectos cuánticos en el láser. Era necesario desarrollar nueva tecnología láser e inventar nuevos materiales, así como construir gigantescos tubos, aislamiento sísmico y otras tecnologías vitales mucho más allá de lo que se había logrado anteriormente.

La ejecución de este proyecto a pequeña escala ya no era posible y se necesitaba un nuevo enfoque. En 1994, cuando Barry Barish asumió el liderazgo de LIGO, transformó el pequeño grupo de unas 40 personas en una colaboración internacional a gran escala con más de un millar de participantes. Buscó la experiencia necesaria y trajo numerosos grupos de investigación de muchos países. El sueño imposible sólo podía hacerse realidad a través de esfuerzos colaborativos.

La señal llegó de inmediato

En septiembre de 2015, LIGO estaba a punto de reiniciar actividades después de una actualización que había durado varios años. Equipado con un láser diez veces más potente, espejos de 40 kilos, un sistema de filtro de ruido blanco más avanzado y uno de los sistemas de vacío más grandes del mundo, capturó una señal de onda unos días antes de que el experimento fuera puesto en marcha oficialmente. La onda primero pasó la instalación de Livingston y luego, 7 milisegundos después - moviéndose a la velocidad de la luz - apareció en Hanford, a tres mil kilometros de distancia.
El 14 de septiembre de 2015 se envió un mensaje del sistema informatizado a primera hora de la mañana.

Todo el mundo en los Estados Unidos estaba durmiendo, pero en Hannover en Alemania eran 11:51 y Marco Drago, un joven físico del Instituto Max Planck de Física Gravitacional, se estaba preparando el almuerzo. Las curvas que vislumbró se parecían exactamente a las que había practicado reconociendo tantas veces. ¿Podría él ser la primera persona en el mundo que estaba viendo ondas gravitacionales? ¿O era sólo una falsa alarma, una de las pruebas ciegas ocasionales sobre las cuales sólo pocas personas sabían?

La forma de la ola era exactamente como se predijo, y no era una prueba. Todo encajaba perfectamente. Los pioneros, en su 80s, y sus colegas de LIGO pudieron finalmente oír la música de sus sueños, como un pájaro cantando su canción solitaria. Era demasiado bueno para ser verdad, pero no fue hasta febrero del año siguiente cuando se les permitió revelar la noticia, antes no lo habían podido hacer, incluso a sus familias.

El secreto bien guardado llamado GW 150914 cumplió todas sus expectativas. De la señal, los investigadores averiguaron que los agujeros negros tenían 29 y 36 veces más masas ​​que el Sol, pero no más de 200 kilómetros de diámetro. Se fusionaron para formar un agujero negro con alrededor de 62 masas solares, por lo que durante unas pocas décimas de segundo, pudieron irradiar energía en forma de ondas gravitatorias equivalentes a tres masas solares. Esto hizo GW 150914 el objeto radiante más poderoso en el universo en ese breve momento. La señal también indica el área en los cielos meridionales donde el acontecimiento violento ocurrió, a 1,300 millones de años luz de distancia. Esto significa que la colisión ocurrió hace 1,300 millones de años, el momento en que la vida en la Tierra estaba dando el paso de los organismos unicelulares a multicelulares.

LIGO ha observado otros dos eventos similares desde el primer descubrimiento. La instalación hermana europea, VIRGO, fuera de Pisa en Italia, se unió a LIGO en agosto de 2017 y anunciaron su primera su primer descubrimiento en conjunto el 27 de septiembre. Los tres detectores observaron las mismas ondas gravitacionales cósmicas el 14 de agosto de 2017; provenían de dos agujeros negros de tamaño mediano que chocaron hace 1,800 millones de años.

Los detectores han visto el universo temblar cuatro veces y se esperan muchos más descubrimientos. India y Japón también están construyendo nuevos observatorios de ondas gravitatorias. Con varios experimentos observando cada vez más lejos, los investigadores deben ser capaces de identificar con precisión de dónde vienen las señales. Las observaciones de las ondas gravitatorias pueden tener seguimientos empleando telescopios ópticos, de rayos X u otros tipos de telescopios.

Hasta el momento, todo tipo de radiación electromagnética y partículas, como rayos cósmicos o neutrinos, han dado conocimiento sobre el universo. Las ondas gravitacionales, sin embargo, son testimonio directo de las perturbaciones en el espacio-tiempo mismo. Esto es algo completamente nuevo y diferente, abriendo a mundos no vistos. La riqueza de los descubrimientos aguarda a aquellos que logran captar las ondas gravitacionales e interpretar su mensaje.

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