Ecuaciones de Einstein

Cuando los planetas giran alrededor del Sol, no solo siguen sus órbitas: también se atraen ligeramente entre sí. Es como un baile en el que cada pareja siente el movimiento de los demás. Los científicos decidieron averiguar cuánto cambia esta atracción mutua las trayectorias de los planetas. Resulta que hay pequeñas correcciones que antes no se tenían en cuenta.

Un rayo de luz que pasa cerca de un cuerpo masivo cambia ligeramente de dirección, como el agua que rodea una piedra en un arroyo. En el sistema solar hay muchas de estas "piedras": planetas, sus lunas, asteroides. Y cada uno de ellos, con su gravedad, curva la trayectoria de la luz que llega de estrellas lejanas.

Si uno mira fijamente por la ventana nocturna, tarde o temprano se topa con la negrura tras la cual no se ve nada. No es solo una valla lejana: es el borde del universo accesible, el horizonte cósmico. La luz de estrellas más distantes simplemente no ha tenido tiempo de llegarnos.

El haz de un reflector se pierde en la oscuridad, pero si lo seguimos hacia atrás, chocamos con la lámpara. Con la historia del universo quizás ocurre lo mismo: al rastrear su expansión hacia atrás, nos topamos con un comienzo. Los físicos tomaron el modelo más simple: un universo que se estira por igual en todas direcciones, como un cubo cuyos lados crecen.

Un agujero negro no es solo una mancha oscura en el espacio. Tiene temperatura y emite radiación. Tiene entropía: una medida de la información oculta grabada en la superficie de su horizonte, como un patrón en una burbuja de jabón.

El cosmos se expande, y esa expansión se acelera. Pero ¿y si en los primeros instantes tras el Big Bang la gravedad funcionara de otra manera? Los autores del nuevo trabajo añadieron a las ecuaciones de Einstein un campo invisible que intercepta la energía de la materia y la radiación ordinarias.

La teoría cuántica de campos es el idioma en el que los físicos describen las partículas elementales y sus interacciones. Los autores del trabajo decidieron "retocar" un poco este idioma: introdujeron deformaciones, es decir, pequeños cambios en las reglas del juego.

La teoría cuántica de campos es el idioma en el que los físicos describen las partículas elementales y sus interacciones. Los autores del trabajo decidieron "retocar" un poco este idioma: introdujeron deformaciones, es decir, pequeños cambios en las reglas del juego.

Newton nos regaló un mundo donde los cuerpos se mueven en el vacío y los relojes marcan el mismo ritmo para todos. Durante tres siglos, esta imagen funcionó a la perfección. Pero en ella hay muchos puntales invisibles: la posición absoluta, la dirección "arriba-abajo", un ritmo temporal único para todo el universo.

Un armazón invisible mantiene unidas las galaxias, impidiendo que se dispersen. Es la materia oscura, una sustancia que no brilla y casi no interactúa con la materia ordinaria. Los astrofísicos llevan tiempo debatiendo de qué está hecha.

Una balanza que no pesa un cuerpo, sino el propio espacio que lo rodea. Así funcionan las ecuaciones de Einstein en la relatividad general: conectan la curvatura del espacio-tiempo con lo que hay en él. En el lado derecho de la ecuación —donde está la «materia»— se suele poner o bien la densidad de energía, o bien la presión.

El mundo cuántico se parece a una cocina donde, de la nada, aparecen partículas. Pero para ello se necesita un cocinero: un campo clásico que actúe como fuente externa. El teorema de Glauber, conocido desde hace tiempo en óptica, ahora se ha generalizado: muestra cómo el campo "cocina" las partículas, ya sean fotones o gravitones.

Una balanza que no pesa un cuerpo, sino el propio espacio que lo rodea. Así funcionan las ecuaciones de Einstein en la relatividad general: conectan la curvatura del espacio-tiempo con lo que hay en él. En el lado derecho de la ecuación —donde está la «materia»— se suele poner o bien la densidad de energía, o bien la presión.

Un agujero negro en rotación no es un remolino tranquilo. El espacio a su alrededor tiembla y vibra ante la menor perturbación, como la cuerda de una guitarra después de un pellizco. Estas oscilaciones se describen mediante la ecuación de Teukolsky, una construcción matemática compleja que los físicos estudian desde hace medio siglo.

Dos estrellas giran una alrededor de la otra, acercándose gradualmente. Su danza pierde energía, y esa energía se escapa al espacio en forma de ondas gravitacionales y, a veces, de otros campos.

En 2017, los detectores registraron una onda gravitacional proveniente de la colisión de dos estrellas de neutrones. 1,7 segundos después, los telescopios vieron un destello de estallido de rayos gamma desde el mismo punto. Ese pequeño retraso se convirtió en un tesoro para los físicos.

Un péndulo en una habitación ruidosa recibe constantemente empujones de la gente que pasa. Su movimiento es una mezcla de oscilaciones regulares y sacudidas aleatorias. Algo similar les sucede a las débiles ondas gravitacionales en el contexto de un universo en expansión.

En el silencio del mundo cuántico no hay vacío. Las partículas están entrelazadas por hilos invisibles: el entrelazamiento. Los autores del trabajo propusieron que el propio tejido del espacio-tiempo está urdido con esos hilos.

En el corazón mismo de la Vía Láctea, alrededor de un agujero negro supermasivo invisible, giran estrellas. Una de ellas, S301, completa una órbita en solo 8,7 años. Su trayectoria es una elipse muy aplastada: a veces se acerca casi rozando al agujero negro, y otras se aleja hasta perderse.

Una maratón de 13 mil millones de años comenzó con pesos dispares. Cien masas solares: más ligero que una nube de gas cualquiera. Cien mil: dominación gravitacional, comparable a un elefante entre gatitos. Así eran las semillas de agujeros negros que, para nuestros tiempos, debían convertirse en gigantes supermasivos.

El foco está en el monopolo, un cúmulo especial de campo no abeliano (un campo donde el orden de las operaciones altera el resultado), que recuerda a una carga magnética sin pareja.

El plano de ingeniería de un rascacielos siempre contiene un número: la carga máxima sobre los cimientos, digamos 500 kilopascales. Las Ecuaciones de Einstein del curvatura del espacio-tiempo imponen un límite similar sobre la 'carga de fuerza' dentro de estrellas, planetas y cualquier otro cúmulo de materia.

El plano de ingeniería de un rascacielos siempre contiene un número: la carga máxima sobre los cimientos, digamos 500 kilopascales. Las Ecuaciones de Einstein del curvatura del espacio-tiempo imponen un límite similar sobre la 'carga de fuerza' dentro de estrellas, planetas y cualquier otro cúmulo de materia.

A 123 pársecs de la Tierra, en la constelación de la Corona Austral, navega la estrella de neutrones RX J1856.5-3754. Su diámetro es de unos 12 kilómetros, menor que una carretera de circunvalación urbana, pero la temperatura de su superficie alcanza los 460 000 kelvin. La estrella emite una exhalación lenta, casi inaudible.

0,965 es el número que dividió a los cosmólogos en un antes y un después. Justo ese valor del índice espectral ns fue registrado por el telescopio ACT al escrutar el fondo cósmico de microondas — la luz enfriada del Big Bang.

Dos pelotas lanzadas desde alturas diferentes caen al suelo con aceleraciones distintas. En el espacio todo es más complejo: incluso el vacío hace que los cuerpos se muevan de manera diferente.

Las básculas de muelle de una tienda muestran el peso de forma sencilla: el objeto presiona el muelle, este se comprime y la aguja se desplaza por la escala. La relación entre fuerza y compresión es directa, como la ley de Hooke.

A 380 mil años después del Big Bang, el universo se enfrió lo suficiente como para que la luz se separara del plasma. Este fondo cósmico de microondas aún impregna el cosmos, como el primer acorde de una sinfonía, el eco de un comienzo caliente.

Las ondas cósmicas comienzan con pequeños cúmulos. A los 380 000 años después del Big Bang, el universo era casi homogéneo: las variaciones de densidad eran solo de 1/100 000. Pero la gravedad convirtió esas débiles fluctuaciones en galaxias, cúmulos y enormes vacíos.

La gravedad en nuestro mundo es el espacio-tiempo curvado. Así la describe la teoría de la relatividad general de Einstein. Pero, ¿qué ocurre con la gravedad a nivel de átomos y partículas, donde reina la mecánica cuántica? Esta pregunta lleva casi un siglo sin respuesta.

Un enorme cuenco de agua. Tira una piedra y verás círculos expandirse. Así funciona el tejido del espacio-tiempo: cuando dos estrellas masivas se fusionan, generan ondas: ondas gravitacionales. Estas ondas llegan a la Tierra y son captadas por gigantescos detectores como LIGO y Virgo.

Un par de agujeros negros gira en un baile, acercándose gradualmente. Pierden energía y rotación, un proceso que se conoce como emisión de momento angular. En la teoría ordinaria de Einstein, solo las ondas gravitacionales se llevan el momento.

En los primeros instantes después del Big Bang, la transición de fase cósmica dividió el plasma caliente en regiones con diferentes vacíos — los estados de menor energía del campo.

Dos pequeñas pesas, cada una del peso de un grano de arena, cuelgan en la oscuridad a una temperatura más fría que el espacio exterior. No se tocan, pero entre ellas hay un hilo invisible: la gravedad. El experimento que ahora construyen los físicos debe captar el momento en que ese hilo tira de una pesa debido al movimiento de la otra.

La gravedad es el pegamento invisible que mantiene unidas a las estrellas y los planetas. Pero, ¿y si este pegamento tuviera una masa diminuta? En la teoría de la gravedad masiva, las partículas portadoras (llamadas gravitones) pesan muy poco, pero no cero. Esto cambia las reglas del juego cerca de los agujeros negros.

La lona tensa de una cama elástica se hunde bajo una bola pesada. Si la bola gira rápidamente, la lona comienza a retorcerse a su alrededor. De manera similar se comporta el espacio-tiempo cerca de un agujero negro en rotación: no solo está curvado, sino que también es arrastrado por la rotación, como el agua alrededor de un remolino.

Trece mil millones de años la luz viajó a través del vacío cósmico. Eludió galaxia masivas que, como predijo Einstein, actuaban como lentes gigantes — amplificando y distorsionando el resplandor lejano. En 2023, el instrumento NIRSpec del James Webb capturó esa luz y la descompuso en espectros.

La gravedad no es solo la fuerza que nos mantiene en el suelo. A escala del universo, dirige a las galaxias, curva los rayos de luz y determina el destino de todo lo que existe. Hace cien años, Einstein la describió como la curvatura del espacio y el tiempo.

Hace 13,8 mil millones de años, el Universo giraba en un vals. El giro a la derecha estaba prohibido. Hoy, los ecos de ese baile cósmico nos llegan en forma de una ondulación casi imperceptible del espacio-tiempo: las ondas gravitacionales. Su existencia fue predicha por Albert Einstein.

En 2019, el mundo vio la primera imagen de la sombra de un agujero negro: un donut naranja sobre fondo negro que se convirtió en símbolo del progreso científico. Pero esa imagen no fue captada por una cámara: nació de la alquimia matemática, donde los datos de ocho radiotelescopios, que apenas recogieron migajas de señal, se fusionaron en una imagen única.