En esta entrada del blog, exploramos la importancia científica y las nuevas posibilidades que trajo consigo la primera detección directa de ondas gravitacionales por parte de la humanidad, examinando cómo transformó la física moderna y la forma en que observamos el universo.
El Premio Nobel de Física de 2017 se otorgó a tres físicos estadounidenses —Kip Thorne, Rainer Weiss y Barry Barish—, quienes desempeñaron un papel decisivo en el descubrimiento de las ondas gravitacionales. Fueron reconocidos por su logro al detectar con éxito ondas gravitacionales directamente por primera vez en febrero de 2016 en LIGO (Observatorio de Ondas Gravitacionales con Interferometría Láser). Entonces, ¿qué son exactamente las ondas gravitacionales y por qué la confirmación de su existencia es lo suficientemente significativa como para justificar un Premio Nobel de Física? Para comprender esto, examinemos primero el concepto de ondas gravitacionales.
El concepto de "ondas gravitacionales" existe desde hace más de un siglo. Albert Einstein las predijo por primera vez en 1916 mediante su Teoría General de la Relatividad. Según esta teoría, los objetos con masa deforman el espacio-tiempo, y la gravedad es el fenómeno que surge de esta deformación. Además, la aceleración de los objetos provoca que este espacio-tiempo curvado se ondule, y estas ondas se propagan hacia afuera como ondas a la velocidad de la luz. Estas son ondas gravitacionales. Cuando una onda gravitacional atraviesa el espacio, este se distorsiona, estirándose en una dirección y contrayéndose en otra.
Sin embargo, la distorsión del espacio causada por las ondas gravitacionales es extremadamente pequeña, lo que las hace indetectables en circunstancias normales. Solo se producen a niveles significativos durante eventos cósmicos masivos, como la colisión de dos agujeros negros o la explosión de una supernova; aun así, la señal es extremadamente débil. Los detectores de ondas gravitacionales actuales miden el cambio en la extensión del espacio. La perturbación creada por la onda gravitacional detectada por LIGO en esta ocasión estiró y contrajo el espacio solo unas 10⁻²¹ veces. Para medir este diminuto cambio, la longitud debe medirse con una precisión inferior a una milésima del radio de un neutrón dentro de un detector de aproximadamente 5 km de longitud. Esto era prácticamente imposible. Por lo tanto, antes de LIGO, era imposible detectar directamente las ondas gravitacionales; su existencia solo podía inferirse indirectamente.
¿Cómo logró LIGO detectar directamente estos diminutos cambios de longitud? En otras palabras, ¿cómo pudieron observarse las ondas gravitacionales? LIGO utiliza fundamentalmente el principio de un interferómetro. Un interferómetro es un instrumento que utiliza el fenómeno de la interferencia de la luz para medir los cambios de distancia con una precisión ultraelevada. Para comprender esto, analicemos primero la interferencia de ondas.
Las ondas son similares a las ondulaciones. Cuando dos ondas de la misma forma se encuentran, su amplitud aumenta (interferencia constructiva) o disminuye (interferencia destructiva) según su superposición. Si ambas ondas llegan con la misma fase, se produce interferencia constructiva. Sin embargo, si una onda llega más tarde, provocando un desfase entre las ondas combinadas, se produce interferencia destructiva. Por lo tanto, la diferencia de tiempo en la llegada de dos ondas provoca un cambio en la amplitud de la onda combinada, lo que se conoce como fenómeno de interferencia.
Dado que la luz también es una onda, se produce interferencia cuando dos ondas de luz se combinan. Por lo tanto, analizar la amplitud de la onda combinada permite calcular la diferencia de tiempo de llegada entre las dos ondas de luz, lo que equivale a calcular la diferencia de distancia. Esto se debe a que, si dos rayos de luz parten simultáneamente, a mayor distancia, mayor será la diferencia de tiempo de llegada.
LIGO se basa en el interferómetro de Michelson. Este interferómetro es también un aparato experimental de gran importancia histórica, especialmente utilizado en el experimento de Michelson-Morley. Este experimento reveló que la velocidad de la luz es independiente de la dirección y que la luz no requiere un medio separado para propagarse.
El interferómetro de Michelson funciona según el siguiente principio: la luz de una sola fuente se divide en dos haces mediante un divisor de haz central (un dispositivo que transmite la mitad de la luz y refleja la otra mitad). Los dos haces se reflejan en espejos colocados a distancias fijas y luego se recombinan para formar un patrón de interferencia. Si la velocidad de la luz variara con la dirección, el tiempo que tardan los dos haces divididos en recombinarse sería diferente, lo que resultaría en un cambio en el patrón de interferencia. El experimento de Michelson-Morley predijo dicho cambio en el patrón de interferencia, pero no se observó ningún cambio, lo que llevó a la conclusión de que la velocidad de la luz es constante. Este hecho proporcionó posteriormente pistas cruciales para que Einstein formulara su teoría de la relatividad.
LIGO es esencialmente una extensión a gran escala de este interferómetro de Michelson. La distancia entre el divisor de haz de LIGO y su espejo reflector alcanza aproximadamente 4 km. Sin embargo, esta distancia por sí sola no era suficiente para detectar ondas gravitacionales con fiabilidad, por lo que LIGO incorporó un «tubo Fabry-Pérot». Esta técnica refleja la luz aproximadamente 400 veces dentro de un tubo de 4 kilómetros de longitud, creando una trayectoria de 1,600 kilómetros. Esto permite una medición más precisa de cambios de distancia mínimos. Gracias a esta sofisticada combinación tecnológica, LIGO logró observar directamente las ondas gravitacionales generadas por la colisión de dos agujeros negros por primera vez el 14 de septiembre de 2015.
Entonces, ¿por qué es el descubrimiento de las ondas gravitacionales un acontecimiento tan monumental? En primer lugar, su importancia reside en confirmar directamente, una vez más, la teoría de la relatividad de Einstein. La existencia de las ondas gravitacionales, predicha por la relatividad, ha sido verificada experimentalmente. Pero su mayor valor reside en otro aspecto. Significa que la humanidad ha obtenido una herramienta completamente nueva para observar el universo. Este cambio es comparable al momento en que la humanidad creó el telescopio. Hasta ahora, la astronomía se ha basado únicamente en la luz —es decir, las ondas electromagnéticas— para observar los objetos celestes. Pero con el establecimiento de las ondas gravitacionales como una nueva herramienta de observación, finalmente se ha abierto un ámbito previamente inaccesible para las ondas electromagnéticas.
Por ejemplo, en el caso de las explosiones de supernovas, nunca hemos podido observar directamente lo que ocurre en sus núcleos. Esto se debe a que la inmensa capa de material que envuelve el núcleo de la supernova impide el paso de la luz. Sin embargo, las ondas gravitacionales atraviesan la materia con mínima interferencia, lo que nos permite captar los fenómenos que se desarrollan en las profundidades de los objetos celestes.
La humanidad se encuentra ahora en el umbral de una nueva era llamada «astronomía de ondas gravitacionales». Las ondas gravitacionales nos brindarán una perspectiva completamente nueva del universo, permitiéndonos descubrir los secretos de diversos cuerpos celestes y acercarnos a la comprensión del origen del universo. Esperamos con entusiasmo los descubrimientos que estas observaciones nos traerán y esperamos que la investigación de las ondas gravitacionales amplíe aún más la comprensión del cosmos por parte de la humanidad.
