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18 febrero 2016

Natación sincronizada: agujeros negros y ondas gravitatorias

Astrofísica | Espacio | Física
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Cuando el polvo de las noticias diaria se posa, finalmente quedan los datos para la Historia… y el 11 de febrero del 2016 será recordado como el día de las ondas gravitatorias y los agujeros negros.

Figura 1: Las dos oscilaciones observadas en los detectores de LIGO. Las variaciones en las distancias que se han medido son menores que el tamaño de un núcleo de un átomo de hidrógeno / Crédito: LIGO collaboration

Sucintamente, ese día se anunció la detección de la fusión de dos agujeros negros masivos con LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory), un ultra-preciso sistema de dos detectores situados en sendos lados de los Estados Unidos. Este fenómeno duró solamente 20 milisegundos, pero en ese tiempo produjo tanta energía como todas las estrellas del universo accesible, generando un pulso de ondas gravitatorias que nosotros, 1.300 millones de años después, hemos sido capaces de detectar.

Figura 2: Las ondas gravitatorias generadas por los dos agujeros negros al orbitar alrededor del centro de gravedad común, en una representación bidimensional. Se puede apreciar cómo la textura del espacio, que se muestra con una cuadrícula azul, se deforma al paso de la onda / Crédito: BBC

En efecto, esta deformación del espacio ha producido dos señales prácticamente idénticas en los dos instrumentos separados por miles de kilómetros al producir una variación de 1 parte en mil trillones (mil millones de millones de millones o 1/1021). Lo que es lo mismo, una fracción de un protón, que es el núcleo del átomo de hidrógeno, el menos masivo de todos los elementos químicos. Un hecho que se podría calificar como épico y que ha sido gracias a todos los ingenieros y físicos que han participado en el proyecto, más de mil personas de 16 países diferentes: todo un éxito de la colaboración internacional, pero sobre todo de la National Science Foundation norteamericana, que ha creído desde el principio en la ciencia básica y en la necesidad de financiar la búsqueda del conocimiento per se.

¿Qué es una onda gravitatoria y  qué significa este descubrimiento?

Pensemos en una pareja de natación sincronizada, inmóvil en una piscina. La superficie de la piscina estará plana, pero si la pareja empieza la danza, se producen oscilaciones en el agua, más intensas y frecuentes cuanto más veloces se muevan las bailarinas alrededor la una de la otra en su baile, olas que alcanzan los bordes del reciento acuático. Si terminan por abrazarse y se detienen, eventualmente el oleaje creado cesará. Así, los agujeros negros, al orbitar rápidamente alrededor del centro común de masas, produce una compresión y elongación del espacio a su alrededor, una onda que se transmite en el espacio, con una frecuencia más y más alta según se aproximan la una respecto a la otra. En la fusión final, el movimiento se detiene y el pulso gravitatorio desaparece.

Otro símil nos lo proporciona el sonido, que también se transmite como una onda. Nosotros oímos porque el aire vibra, porque las moléculas que lo forman se empujan, transmitiendo energía, hasta llegar a nosotros. Una onda gravitatoria es un fenómeno análogo, pero el sustrato no es material, porque las distancias interestelares están esencialmente vacías, sino el propio espacio, que como hemos dicho se estira y se comprime.

Este fenómeno abre, en verdad, una nueva ventana, tal vez la última, que nos proporciona un acceso al universo. Si en 1609 Galileo Galilei, entre otros, utilizó el telescopio para mostrarnos un cosmos diverso y desafiar las convenciones geocéntricas y la visión imperante, a partir de ahora, sin alcanzar esa situación, tenemos acceso a toda una serie de fenómenos que solo se vislumbraban por evidencias indirectas (como es el caso de los agujeros negros),  o por modelos teóricos de difícil validación. Además, se ha encontrado y situado  una de las últimas piezas en la descripción del mismo, en ese maravilloso puzle que es la realidad física, puzle que se empezó a ordenar hace 2.500 años en la Hélade y que ahora estamos terminando.

¿Por qué es importante?

Las ondas gravitatorias son la última predicción de la Teoría General de la Relatividad de Albert Einstein, formulada en 1915 y brillantemente verificada con un eclipse de Sol cuatro años más tarde. Sin embargo, Einstein pensó que serían tan débiles que nunca podrían ser detectadas. Por otra parte, nos permiten observar y analizar el universo de una manera distinta, especialmente en el caso de eventos muy energéticos, como fusiones de objetos muy masivos (este es el caso de los agujeros negros, pero también de las estrellas de neutrones), hasta casi el Big Bang. El estudio de estos fenómenos nos ayudará a comprender cómo funciona la gravedad, una de las cuatro fuerzas elementales de la naturaleza: la más evidente pero la peor comprendida. Finalmente, esta profundización nos aportará una de las últimas piezas para completar la teoría del todo, la Gran Unificación.

En definitiva, como ya hemos comentado, es un éxito de la física teórica, de la ingeniería, de la astrofísica y de la cooperación internacional. Todo un modelo a imitar en estos tiempos tan turbulentos.

David Barrado Navascués

CAB, INTA-CSIC
Centro Europeo de Astronomía Espacial (ESAC, Madrid)

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