detección de ondas gravitacionales

Un intérprete se distrae con cada susurro en la sala, y una reunión de una hora se convierte en dos. Algo así les ocurría a los detectores de ondas gravitacionales al analizar señales largas: cada giro de la Tierra añadía ruido a los cálculos, y el procesamiento de una fusión de estrellas de neutrones que dura un día amenazaba con extenderse durante semanas.

Un agujero negro es como una peonza que nunca se detiene por sí sola. Pero si a su alrededor aparece una nube de partículas ultraligeras —bosones—, la situación cambia. Esa "niebla" actúa como un freno invisible: las partículas extraen la rotación del agujero, haciendo que se desacelere.

Lanza dos piedras de formas diferentes a un estanque: las ondas en el agua contarán cuál era lisa y cuál era angular. Las ondas gravitacionales funcionan de manera similar: cuando dos objetos superdensos se fusionan, el temblor del espacio-tiempo propaga detalles sobre su estructura interna.

La superficie tranquila de un lago de repente se cubre de ondas: en algún lugar de la profundidad se ha derrumbado una roca submarina. El agua tiembla apenas perceptiblemente y los círculos se expanden cada vez más, hasta llegar al flotador de la orilla.

Los cosmólogos se parecen a los cartógrafos, solo que en lugar de montañas y ríos, trazan en el mapa fuerzas invisibles. La energía oscura, que hace que el universo se expanda aceleradamente, sigue siendo un misterio. Una de las conjeturas es el modelo de «entrelazamiento gravitacional cinético» (KGB).

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.

En agosto de 2019, los detectores LIGO y Virgo registraron una onda gravitacional procedente de la fusión de dos objetos compactos en un sistema de estrella binaria. Uno de ellos pesaba 23 masas solares, un agujero negro común. El otro, sin embargo, tenía entre 2.5 y 2.67 M⊙.

Dos estrellas de neutrones se acercan en espiral y colisionan. Nace una onda gravitacional, una ondulación en el espacio-tiempo, un breve estallido de rayos gamma y un tenue resplandor que los astrónomos llaman kilonova. Pero a veces la señal pasa cerca de una galaxia pesada.

El universo habla el lenguaje de las ondas gravitacionales — vibraciones del propio espacio-tiempo. Cuando dos estrellas de neutrones, esos remanentes superdensos de supernovas que estallaron hace eones, se funden en una danza final, emiten un prolongado y creciente "chirrido".

Las antenas espaciales LISA y Taiji son tres satélites que viajan detrás de la Tierra alrededor del Sol, formando un triángulo con lados de millones de kilómetros. Miden cómo cambia la distancia entre ellos cuando pasa una onda gravitacional, como las ondas en un estanque al lanzar una piedra.

Los detectores LIGO y Virgo captan ondas gravitacionales de fusiones de agujeros negros y estrellas de neutrones.

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.

Un zumbido recorre todo el universo. No es un sonido, sino un temblor del propio espacio: el fondo de ondas gravitacionales. Lo generan pares de agujeros negros supermasivos que giran uno alrededor del otro en los centros de galaxias lejanas. Cada pareja es como un instrumento grave en una orquesta inmensa.

Un funambulista gira sobre el abismo en espiral, acercándose al centro con cada vuelta. Su trayectoria no es un deslizamiento suave, sino una serie de tirones bruscos y pausas. Así se comporta un agujero negro diminuto cuando es arrastrado hacia un vecino supermasivo.

En 2015, los detectores captaron por primera vez una onda gravitacional —un estremecimiento del espacio que llegó desde la fusión de agujeros negros. Desde entonces, estas señales se han convertido en una nueva ventana al universo para la astrofísica.

Cuando una galaxia lejana nos envía su luz, esta se atenúa con la distancia — y por esa atenuación podemos saber a qué distancia se encuentra. Más o menos así funcionan las ondas gravitacionales: cuanto más lejos está su fuente, más débil es el temblor del espacio que captan los detectores en la Tierra.

Los satélites gravitatorios han notado que el campo de gravedad de la Tierra respira de forma apenas perceptible con un período de unos seis años. Como si un péndulo invisible balanceara el planeta desde dentro, y cada seis años la aguja de la balanza se desplazara ligeramente. La señal resultó ser tan limpia que se pudo separar del ruido de los océanos y de los glaciares que se derriten.

Los telescopios gravitacionales escuchan la «música» cósmica — ondas gravitacionales de catástrofes lejanas. Pero sus grabaciones están llenas de «arañazos» — breves interferencias terrestres. Antes, la evaluación se hacía sobre toda la pista a la vez y los chasquidos débiles se perdían.

Una orquesta donde cada músico toca su parte y el director intenta captar un ritmo apenas audible, común a todos. Así más o menos buscan los astrónomos las ondas gravitacionales de pares de agujeros negros supermasivos (con masas de miles de millones de soles) que giran uno alrededor del otro en galaxias lejanas.

Cuando dos estrellas de neutrones —comprimidas al tamaño de una ciudad— se acercan en una danza final, el espacio-tiempo a su alrededor cobra vida, emitiendo ondas gravitacionales.

Fue Edwin Hubble quien descubrió que las galaxias se alejan, y Georges Lemaître lo relacionó con la expansión del espacio. Hoy, el modelo ΛCDM, basado en la energía oscura y la materia oscura, afirma que el Universo es plano como un lienzo perfectamente tensado.

Dos puntos en la superficie de un globo aerostático: eso es todo lo que tienes como referencia cuando intentas entender cómo se infla. Más o menos así reconstruyen los cosmólogos la historia de la expansión del universo.

Las ondas gravitacionales son temblores en el propio espacio, nacidos de la colisión de agujeros negros u otros cuerpos masivos. Su mayor rareza no es que nos atraviesen, sino que cambian para siempre la curvatura del espacio-tiempo y las distancias entre todo lo que tocan.

El espacio-tiempo no es un vacío pasivo, sino una membrana dinámica capaz de deformarse elásticamente. Cuando chocan estrellas de neutrones —objetos ultradensos del tamaño de una ciudad, donde la materia se comprime hasta la densidad nuclear o agujeros negros —regiones con una gravedad tan intensa que ni siquiera la luz puede escapar de ellos, la…

La materia oscura es la gran invisible del cosmos. No emite, no absorbe, no refleja luz, pero su agarre gravitacional se siente en cada movimiento de las galaxias. Hace setenta años, Vera Rubin demostró que los bordes de las galaxias giran demasiado rápido, como si un pastor invisible las impulsara.

La astrofísica del siglo XXI aturde con triunfos: captamos el temblor del espacio-tiempo por la fusión de gigantes invisibles; vislumbramos la «sombra» de un monstruo supermasivo en una galaxia lejana; trazamos las órbitas de estrellas que danzan alrededor de algo compacto en el corazón de la Vía Láctea.

Una piedra cae en un pozo y el chapoteo llega a los oídos con retraso. Algo parecido le ocurre a la luz cuando escapa de la Tierra: sus oscilaciones se vuelven menos frecuentes, el rayo parece «cansarse». Esto es el corrimiento al rojo gravitacional — un fenómeno del que habló Einstein hace cien años.

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.

Cuando los agujeros negros o estrellas de neutrones se fusionan, puntean el espacio, emitiendo ondas gravitacionales — un chirrido predicho por Einstein. Detectores como LIGO capturan esta melodía cósmica, cuyo tono codifica las masas.

Un estanque enorme en el que se expanden círculos desde dos piedras pesadas que giran una alrededor de la otra. Las piedras se acercan, los círculos se vuelven más frecuentes y más fuertes, y las piedras están a punto de chocar. Las ondas gravitacionales son círculos así, pero no en el agua, sino en el propio tejido del espacio.

El universo, con apenas un par de cientos de millones de años, se parecía a una cocina gigante donde, a partir de la 'masa' primordial —hidrógeno y helio—, se amasaban las primeras galaxias. En sus centros se encendían agujeros negros, como hornos de distinta potencia: desde ligeros 'rechauds' hasta pesados 'fogones'.

En los auriculares con los que se escucha una orquesta lejana, de vez en cuando algo cruje. El crujido puede ser tan fuerte que ahogue la música o incluso se mezcle con ella.

Sobre la mesa hay un instrumento sensible: una balanza de torsión. Dos masas pesadas giran junto a una barra suspendida, y su atracción tiende a hacer girar esa barra. Pero las masas están dispuestas de modo que su atracción newtoniana ordinaria se cancela mutuamente: una tira hacia un lado, la otra hacia el opuesto. Solo queda un residuo débil, que es lo que capta el instrumento.

Cuando dos agujeros negros giran uno alrededor del otro y se fusionan, envían ondas por el universo: las ondas gravitacionales. Estas ondas llevan la huella de cómo se movieron exactamente los objetos antes de la colisión. Por la forma de esa 'danza' se puede saber hasta qué punto los objetos se parecen a agujeros negros perfectos.

En 2015, dos instalaciones gigantes en Estados Unidos captaron el temblor del espacio: una onda gravitacional proveniente de la colisión de agujeros negros. Desde entonces, estas señales se detectan con regularidad, pero los propios detectores son enormes: sus brazos se extienden a lo largo de kilómetros.

Según la teoría de Einstein, los objetos masivos provocan curvatura del espacio-tiempo, como una pesada bola que hunde una lámina de goma. Al acelerar, generan ondas — ondas gravitacionales, similares a los círculos que hace una piedra al caer en un estanque.

Los detectores de ondas gravitacionales normalmente comparan la señal con plantillas predefinidas, como si buscaran una melodía conocida en el ruido. Esto solo permite rastrear escenarios conocidos, como la fusión de agujeros negros.

Medir la expansión del universo es como cronometrar una carrera mientras la pista se estira. Las fusiones de estrellas de neutrones actúan como sirenas estándar: sus ondas gravitacionales resuenan con un «volumen» conocido, así que las señales más débiles implican mayor distancia.

Dos gigantes negros giran y chocan: un temblor del espacio se propaga por el universo. Ese temblor lo captan los detectores de ondas gravitacionales. Pero en la señal puede esconderse algo más que la masa y la distancia: si las leyes de la física son ligeramente distintas en diferentes direcciones, la onda se distorsionará.

El Universo se expande, y cada cúmulo de galaxias participa en una danza grandiosa. El ritmo de esta danza lo marca la constante de Hubble, que fue medida por primera vez por Edwin Hubble hace casi un siglo. Refinar ese número es difícil, pues se necesita una regla de miles de millones de años luz.