Si estás leyendo este blog, estás equipado con un sistema de detección de ondas electromagnéticas, tus ojos, y de un par de detectores de ondas acústicas, tus oídos. Pero, ¿qué es una onda?. En inglés la palabra onda y la palabra ola son la misma, wave. Por tanto, los anglosajones ya tienen construida en su cerebro una imagen muy conveniente de lo que es una onda: una perturbación que se propaga por el espacio. Igual que una ola se propaga por la superficie del mar hacia la playa, una onda acústica es la propagación de una perturbación que cambia la densidad y la presión del aire. Y en el caso de la luz, lo que se propaga es un campo electromagnético.
¿Qué tienen que ver las ondas con la gravedad?. La gravedad es la fuerza que nos mantiene pegados a la superficie de la tierra, y que a su vez mantiene a la tierra orbitando en torno al sol. ¿Qué tiene que ver esto con las ondas?. Aquí es donde entra Einstein, y su teoría general de la relatividad, formulada en 1915. En aquella teoría, Einstein propuso que más que atraerse unos a otros, las masas deforman el espacio-tiempo. El espacio-tiempo sería como la superficie de un globo o como una alfombra, que puede cambiar de forma. Por tanto, en la teoría de Einstein de la gravedad, los cuerpos con masa deforman espacio-tiempo de manera complicada y los objetos se mueven por el espacio curvo de una manera que es, matemáticamente hablando, "sencilla".
La teoría de Einstein de la gravedad era mucho más que una reformulación matemática de la teoría de Newton. Por ejemplo, si los cuerpos deforman el espacio, esto quiere decir que la luz sería desviada por la acción de la gravedad, algo que la teoría gravitatoria de Newton no preveía. Esa predicción de la teoría de Einstein fue confirmada por los experimentos de la expedición de Eddington de 1919. Además, usando la teoría de Einstein, Schwarzschild describió en 1916 la existencia de objetos con tanta masa que podían atrapar la luz, los llamados agujeros negros.
Ese mismo año 1916 Einstein se dio cuenta que su teoría de la relatividad predecía la existencia de ondas, es decir, de perturbaciones que se propagan. En este caso, la perturbación afecta al espacio-tiempo. Es decir, una onda gravitacional es una deformación en movimiento del espacio-tiempo. De forma parecida a las ondas electromagnéticas, que son emitidas por cargas en movimiento acelerado, las ondas electromagnéticas son emitidas por masas en movimiento acelerado. Por ejemplo, en su movimiento en torno al sol, la tierra emite ondas gravitatorias. Afortunadamente para nosotros, el sistema tierra-sol es astrofísicamente muy aburrido: el ritmo al que la tierra emite ondas gravitatorias, y por tanto pierde energía y se acerca al sol, es tan lento que tardamos mil años en acercarnos el equivalente al tamaño de un átomo.
En cambio, existen sistemas ahí fuera en las que todo es mucho más violento. Así, en 1974 los físicos norteamericanos Taylor y Hulse descubrieron un sistema binario de estrellas, el pulsar PSR B1913+16. Una de las estrellas giraba sobre si misma a un ritmo de 17 veces por segundo, pero el ritmo de giro variaba lentamente con el tiempo lo que delataba la presencia de la otra estrella. Observaciones llevadas a cabo durante varios años permitieron inferir que el movimiento orbital de esta pareja de estrellas ha decaído al ritmo predicho por la teoría de Einstein para la radiación gravitatoria. Por tanto, una de las consecuencias de la existencia de ondas gravitatorias, la pérdida de energía debida a la emisión de radiación gravitatoria, ya había sido confirmada experimentalmente, y le valió el premio Nobel a Taylor y Hulse en 1993.
Lo que iba a resultar mucho más difícil era medir una onda gravitatoria, es decir, percibir una modulación transitoria o provisional en la variación del espacio tiempo. Para hacernos una idea, durante su tránsito por una cinta métrica, una onda gravitatoria hace que un metro deje de medir un metro, provisionalmente. ¿Cómo detectar algo así?. Además, el problema es que la magnitud de las deformaciones del espacio tiempo que generan las ondas gravitatorias es muy pequeña, debido a que las fuentes más potentes de ondas gravitatorias están muy lejos de nosotros, y como ocurre con otras ondas, la amplitud de una onda gravitatoria decae a medida que se aleja de la fuente.
Durante las últimas 3 décadas un equipo internacional de físicos, inicialmente liderados por el físico teórico norteamericano Kip Thorne, de la universidad de Caltech, en Pasadena, la misma en la que pasó sus últimas décadas Feynman, ha puesto en marcha un espectacular experimento para cazar esta pequeñísima perturbación transitoria del espacio tiempo. El LIGO, Laser Interferometry Graviational-wave Observatory, es realmente una red de observatorios, cada uno de ellos de varios kilómetros, y situados en a miles de km de distancia entre si. Ambas instalaciones tienen un gigantesco interferómetro, que es un aparato en el que un haz de luz laser transita por un circuito en forma de L, con 4 kilómetros de lado en cada pata. A su paso por cada detector, una onda gravitatoria dilataría un brazo de la "L" y contraería el otro brazo, lo cuál cambiaría el recorrido de la luz laser, dando lugar a una modulación en su intensidad. Este esquema ha recibido sucesivos refinamientos durante varias décadas para lograr medir una variación relativa en la longitud del una milésima de trillonésima (10^-21). Para hacernos una idea, la precisión de esta medida es el equivalente a medir la distancia de aquí al sol y equivocarse solo en un átomo.
El 15 de septiembre de 2015 dos de los observatorios del LIGO, en los estados de Washington y de Louisiana, a miles de kilómetros de distancia, detectaron una señal idéntica a la que según complicados cálculos usando la teoría de Einstein tendría que producir la colisión de dos agujeros negros, ocurrida hace mil doscientos millones de años. El equivalente gravitatorio al sonido de aquella explosión se ha propagado por el universo durante un 10% de la historia cósmica, mucho antes de que los dinosaurios pisaran la faz de la tierra, para pasar durante una escasa décima de segundo, y seguir su camino hacia los confines del universo. Ha sido un instante fugaz en los detectores, pero un gran paso para la humanidad. Con esta primera observación, los científicos del LIGO han detectado por primera vez la colisión entre dos agujeros negros, demostrando así que tenemos una nueva herramienta para explorar eventos que ocurrieron la noche de los tiempos, lo cuál explica parte de la excitación que se ha hecho patente estos días en los medios. Otro día os seguiré contando el fascinante conjunto de innovaciones tecnológicas, muchas en el ámbito de la física del estado sólido, que han hecho posible la medida más precisa de la historia.
