fondo de ondas gravitacionales

Imagina una lotería donde en lugar de dinero se sortean agujeros negros. Cada boleto es un punto aleatorio en el cielo, y el premio es una onda gravitacional de la fusión de dos gigantes. La probabilidad de ganar el premio mayor es ínfima, pero si tienes suerte, la onda se escuchará en todo el Universo.

Cuando una estrella muchas veces más pesada que el Sol muere, se contrae y explota como supernova. No es solo un destello de luz: todo el proceso, desde el colapso del núcleo hasta la dispersión de la envoltura, genera una vibración del propio espacio. Estas ondas se denominan gravitacionales.

Un café ruidoso. Intentas distinguir dos conversaciones en voz baja: una, en la mesa junto a la ventana (fusiones de agujeros negros); la otra, un susurro apenas perceptible desde el rincón más lejano (ecos del nacimiento del universo). Pero todo lo ahoga el zumbido de la máquina de café y el estruendo de la calle (las vibraciones de los detectores).

Una piedra lanzada al agua se expande en círculos. Una onda gravitacional es una ondulación similar, pero en el espacio-tiempo. La produce, por ejemplo, la fusión de dos agujeros negros. En la física clásica, esta ondulación es eterna: una vez creada, viaja por el universo sin atenuarse.

El cosmos está lleno de ondas invisibles: ondas en el tejido del espacio que dejan tras de sí catástrofes como la colisión de agujeros negros. Un agujero negro ordinario lo absorbe todo sin dejar rastro. Pero existen objetos exóticos hipotéticos: cúmulos superdensos de materia sin horizonte de sucesos (la superficie de la que ni siquiera la luz puede escapar).

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.

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.

El Universo suena, pero nuestro oído solo capta los graves. LIGO oye el rugido de las fusiones de agujeros negros: es el infrasonido del cosmos. Y más arriba, en los gigahercios, resuenan las flautas y violines de la gravedad primordial.

Durante más de un siglo, los astrónomos se han devanado los sesos con el caprichoso comportamiento de las estrellas de tipo RR Lyrae: su brillo crece y decrece periódicamente con una amplitud impredecible, como un faro con un mecanismo estropeado. El efecto Blazhko, descubierto en 1907, desafió a los científicos durante décadas.

La muerte de una estrella masiva no es solo un destello de supernova, sino también el nacimiento de un agujero negro.

Imagina el universo primitivo como una campana de dimensiones inimaginables. La inflación —la época de expansión acelerada ideada por Alan Guth— la golpea, y una onda se propaga por el tejido del espacio-tiempo.

Los detectores de ondas gravitacionales son como micrófonos sensibles que escuchan el susurro de catástrofes lejanas. Pero de vez en cuando irrumpe un chasquido agudo —una interferencia breve llamada glitch—.

Un rumor grave que viene de bajo tierra puede ser el ruido de una obra lejana, o el eco de un antiguo terremoto. Un enigma similar se plantó ante los astrónomos cuando en 2023 captaron ondas gravitacionales de frecuencia ultrabaja ondas gravitacionales — el temblor del propio espacio-tiempo que recorre el universo.

El enigma de la materia oscura atormenta a los físicos desde hace casi un siglo. Entre los candidatos a explicarla están los agujeros negros primordiales (PBH), nacidos en los abrasadores brazos del primer instante tras el Big Bang.

El universo temprano se parecía a una sala abarrotada donde partículas pesadas colisionaban y se desintegraban a un ritmo ensordecedor. Entre ellas podrían haber estado los leptoquarks escalares — partículas que se aferran simultáneamente a un quark (un ladrillo de la materia) y a un leptón (por ejemplo, un electrón).

Dos soles muertos giran en un baile eterno. Su órbita es un metrónomo perfecto que mide el tiempo con la precisión de un reloj atómico. Pero incluso las estrellas muertas pueden temblar.

Los detectores LIGO y Virgo captan las ondulaciones del espacio-tiempo, pero algunas señales obligan a reescribir los guiones de la muerte estelar.

La luz atraviesa una película arrugada y sale ligeramente diferente. De manera similar, las ondas gravitacionales nacidas en el universo temprano sienten la distribución grumosa de galaxias y materia oscura.

En el centro de casi todas las galaxias grandes habita un agujero negro supermasivo: un gigante silencioso alrededor del cual orbitan estrellas, gas y otros agujeros negros más pequeños. De vez en cuando, uno de estos objetos se desvía de su órbita y comienza a caer hacia el monstruo central en una espiral cada vez más cerrada.

Una estrella muerta con un campo magnético miles de millones de veces más intenso que el terrestre es un magnetar. Su corteza se agrieta y emite una potente ráfaga de rayos X hacia el espacio. Pero parte de esa luz no llega hasta nosotros en su forma habitual.

Las ondas gravitacionales — el temblor del cosmos provocado por cataclismos lejanos — son tan débiles que captarlas es como escuchar un susurro en medio de un huracán. Pero un agujero negro puede amplificarlo muchas veces.

El origen del caliente Big Bang es uno de los mayores misterios. La imagen habitual: tras la inflación, el campo del inflatón transfiere energía a las partículas ordinarias, calentando el Universo. Pero la materia oscura y la energía oscura sugieren que la naturaleza tiene sectores ocultos.

Los astrónomos escuchan el cosmos como una vieja radio: giran la perilla no para buscar una estación, sino para escuchar cualquier ruido inusual. Este enfoque rompe moldes: en lugar de cazar ondas gravitacionales según patrones aprendidos, capturan todo lo que llega, sin sesgos.

Las ondas gravitacionales son el temblor del propio espacio-tiempo. Normalmente solo captamos su zumbido general, pero cada onda también tiene una dirección de oscilación: la polarización. Los mapas antiguos se construían solo con la intensidad de la señal, lo que provocaba errores.

Un tambor gigante acaba de recibir un golpe. Su membrana aún vibra, pero además del zumbido principal, por ella se extiende una ondulación fina: alguien ha pasado un dedo sobre la piel tensa.

Una cuerda cósmica que fue pulsada en el momento del Big Bang no solo zumba en una sola nota: por ella corren ondas y, de vez en cuando, se desprenden diminutos bucles. Estos bucles, como diapasones, comienzan a vibrar en su propia frecuencia, produciendo un sonido muy agudo.

En el universo temprano, surgieron agujeros negros primordiales, objetos no más grandes que un átomo pero con la masa de una montaña. Se evaporan gradualmente y, antes de desaparecer, deberían generar ondas gravitacionales, ondulaciones en el espacio-tiempo.

Normalmente, los agujeros negros se acercan gradualmente, girando en una espiral que se estrecha. Esta danza genera una larga ondulación de ondas gravitacionales, un temblor en el propio tejido del espacio-tiempo.

Dos transatlánticos navegan de noche sin luces. Uno fue construido en un astillero con planchas de acero; el otro parece haber brotado por sí solo de la espuma y las olas. De oído son casi indistinguibles, pero un hidroacústico experimentado captará la diferencia en el rumor de las hélices y en las líneas del casco.

El enigma de la materia oscura, observada por primera vez en los remolinos estelares por Vera Rubin, ha atormentado a la física durante casi un siglo. Una de las hipótesis más audaces son los agujeros negros primordiales, nacidos en el caldo hirviente del universo primitivo.

Dos bolas pesadas giran en la superficie de un estanque. De ellas se expanden círculos: son ondas gravitacionales. Cuando las bolas se acercan, las ondas se llevan energía y los círculos se vuelven más frecuentes.

Una olla de agua sobre el fuego. Cuando el agua hierve, se convierte en vapor de golpe: eso es una transición de fase. En los primeros instantes tras el Big Bang, el universo experimentó algo parecido, solo que no cambiaban líquido y gas, sino campos fundamentales.

Un estanque cuyas aguas se agitan en círculos al caer una piedra. Así, a escala del universo: una repentina emisión de energía en el sector oscuro —esa sustancia invisible que no emite luz— genera ondas en el tejido del espacio. Esas ondas alteran el camino de las partículas de luz que viajan hacia nosotros desde el mismísimo nacimiento del cosmos.

Los detectores de ondas gravitacionales captan un zumbido de baja frecuencia, parecido al sonido de una cascada lejana. El telescopio Webb encuentra en el universo temprano galaxias con agujeros negros que parecen demasiado masivos para su corta edad.

El temblor del espacio suena como una orquesta. Las ondas gravitacionales captadas por los detectores LIGO y Virgo cuentan sobre colisiones de agujeros negros. A veces, en la música se escuchan notas falsas: pequeñas desviaciones de la partitura de Einstein. Podrían susurrar sobre física nueva o simplemente sobre polvo en los arcos.

Noche, un lago enorme, silencio absoluto. No se ven olas, pero se oye cómo rompen en la orilla con igual rumor desde todas las direcciones. Esto se asemeja a lo que los astrónomos llaman fondo de ondas gravitacionales: un murmullo incesante proveniente de la fusión de agujeros negros lejanos. Pero, ¿y si en algún lado del lago el chapoteo fuera un poco más fuerte?

Una red de pesca está tendida en las profundidades del cosmos. Cuando una estrella masiva muere, deja tras de sí un agujero negro: una plomada en esa red. Normalmente, tales plomadas pesan desde unas pocas hasta decenas de soles.

En los primeros instantes tras el Big Bang, el cosmos se asemejaba a un estanque gigante que se enfría. Así como el agua, al congelarse, se cubre de una red de grietas, el universo en enfriamiento también pudo agrietarse, pero no con hielo, sino con hilos finísimos de energía pura. Estos hilos se denominan cuerdas cósmicas.

El universo no nació en silencio. Las ondas gravitacionales primordiales —ondas en el espacio-tiempo— aún propagan el eco de aquel suceso. Se intenta escucharlo de dos maneras. Las 'notas' graves se captan en el resplandor del Big Bang, la luz emitida 380 000 años después.

Lanza un puñado de piedrecitas a un estanque y los círculos que se expanden se cruzarán, creando crestas y calmas. Más o menos así se comportan las ondas gravitacionales, predichas por Einstein. Solo que no es el agua lo que oscila, sino el propio espacio-tiempo.