Ondas gravitacionales o resolviendo la gravedad

Cuando paseamos al lado de un río o un lago, es difícil resistir la tentación de tirar una piedra al agua. Nos fascina ver, primero, su vuelo y el impacto sobre la superficie acuática después. En cuanto la piedra impacta sobre el agua, se empiezan a formar ondas concéntricas alrededor del punto en el que la piedra ha golpeado, lo que nos hace quedarnos congelados unos segundos viendo cómo evolucionan dichas ondas.

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Esta escena tan común recoge varios fenómenos que han mantenido ocupados a científicos durante milenios. ¿Qué fuerza es esa que hace que la piedra caiga hacia el agua? y… ¿qué son esas ondas que parecen moverse por la superficie del agua?

En tan solo unos instantes hemos realizado una acción que nos permite observar dos fenómenos físicos de primera magnitud; la gravedad y el movimiento ondulatorio.

La gravedad ha sido (junto con la luz), uno de los grandes motivos de la ciencia. Misterio desde siempre y, aún hoy, su esencia es objeto de deseo de muchos científicos. Bien cierto es que ahora sabemos mucho más sobre esta fuerza de lo que sabíamos en la Antigüedad. Newton primero y Einstein después, aportaron saltos de gigante en cuanto a la fuerza de la gravedad, encontrando un modelo matemático y descifrando cómo se modifican las propiedades del espacio-tiempo alrededor de una masa.

Sin embargo, la naturaleza última de esa fuerza que hace caer la piedra sigue siendo un caso especial y difícil con respecto al resto de fuerzas. De las cuatro fuerzas fundamentales que maneja la física moderna; nuclear fuerte, nuclear débil, electromagnética y gravedad, esta última es la más mágica y esquiva.

unificación

Las teorías de unificación son la punta de lanza de la Física. Intentan buscar modelos y una expresión matemática común para diferentes fuerzas. Hacia 1967, S. Glashow, S. Weinberg y A. Salam mostraron cómo el campo electromagnético y la fuerza nuclear débil se podían entender con un mismo modelo, quedando así unificadas. Más tarde, en los años 70 se propuso un modelo que explicaba tres (nuclear débil, nuclear fuerte y electromagnetismo) de las cuatro fuerzas conocidas de forma consistente. La fuerza nuclear fuerte quedaba también incluida en este modelo propuesto por H. Georgi y S. Glashow. Sin embargo, la cuarta fuerza, la gravedad siempre se ha resistido a ser “unificada” con las otras tres. Hay intentos como la teoría M o la de cuerdas que aún son modelos sin refrendar.

A principios del siglo XXI, sabemos calcular con precisión exquisita los efectos de la gravedad. Hemos refinado las fórmulas de Newton incluyendo los precisos factores relativistas de Einstein. Con ello, el conocimiento de la fuerza, en lo que se refiere sus efectos, es bastante razonable. Sin embargo, nos falta una pieza del puzzle, una pieza clave que es ¿cómo se propaga esa fuerza?

Hoy en día es aceptado por la comunidad científica que la fuerza de la gravedad se propaga como las ondas que se forman cuando la piedra golpea el agua, es decir, de forma ondulatoria y que lo hace a la velocidad de la luz. Los tiempos en los que se suponía que se propagaba de forma instantánea quedaron atrás. Tal y como postulaba la relatividad; nada podía ir más rápido que la luz.

La hipotética partícula que porta esta fuerza sería el gravitón. Su detección directa parece extremadamente difícil, por lo que podemos olvidarnos, por ahora, de dicha tarea puesto que no tenemos tecnología para ello.

Sin embargo, las fuertes perturbaciones del espacio-tiempo originadas por enormes masas colapsando como un agujero negro cuando colisiona con otro agujero o una supernova si que son susceptibles de ser detectadas. No es tarea fácil ya que esta detección está en el límite de la tecnología actual, sin embargo, hay varios observatorio trabajando en ese límite.

Y LIGO (de Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory) es uno de ellos. Se trata de un laboratorio ubicado en dos localizaciones de Estados Unidos y que utilizan sendos interferómetros de cuatro kilómetros de largo cada brazo para detectar variaciones en la distancia entre los espejos del interferómetro de una milésima del tamaño de un protón.

LIGO

Las dos instalaciones de LIGO. Cada brazo del interferómetro en forma de L tiene 4 km de largo. (Crédito: LIGO observatory)

El 14 de Septiembre de 2015, ambos observatorios detectaron una perturbación. El retardo en la detección entre ambos observatorios fue de 7 milisegundos más tarde en Hanford, lo que hace pensar que la fuente se encuentra en el hemisferio sur.

Los científicos de LIGO creen que el origen fue la colisión de dos agujeros negros con 29 y 36 masas solares, respectivamente. El colosal choque de ambas masas hizo que unas tres masas solares se convirtiesen en ondas gravitacionales.

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Representación artística de los dos agujeros negros que han dado lugar a las ondas que han detectado con LIGO (Crédito: LIGO observatory)

 

Se ha dicho que se abre una nueva forma de observar el Universo. Es cierto. Tenemos medios para observar el espectro visible, el infrarrojo y el ultravioleta, la zona de microondas, rayos X, rayos gamma… sin embargo, ahora se abre una nueva ventana para poder ver en otra zona realmente apasionante. La zona de la interacción gravitatoria.

 

 

 

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