espectroscopía 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.

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.

Se puede enviar un pulso de radio corto hacia un agujero negro y esperar el eco reflejado. Parecería que cuanto más corta sea la señal, mejor sondeará los detalles más finos del espacio cerca del horizonte, esa región de la que ni siquiera la luz escapa. Pero la naturaleza tiende una trampa: una onda ultracorta atraviesa casi por completo la barrera gravitatoria y se pierde dentro del agujero.

Cuando dos agujeros negros se fusionan, ondas expansivas recorren el tejido del espacio-tiempo: las ondas gravitacionales. Pero, ¿y si en lugar de uno de ellos no hubiera un agujero negro común, sino algo distinto, un objeto compacto exótico?

En los primeros instantes de la vida del universo, este se parecía a un caldero burbujeante. La materia no estaba distribuida uniformemente: en ella maduraban grumos y vacíos, y su movimiento turbulento generaba un temblor del propio espacio: las ondas gravitacionales.

2.1 × 10⁻⁹ es aproximadamente la variación de temperatura en el cielo, como si en la superficie del océano se midieran ondas de una fracción de milímetro de altura. Esta minúscula inhomogeneidad está grabada en el fondo cósmico de microondas y nos habla del origen mismo del 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.

Los detectores LIGO captaron la señal GW250114: una onda gravitacional procedente de la fusión de dos agujeros negros. Tras el pico principal quedó una "cola" amortiguada: ondas directas desde el horizonte del agujero recién formado.

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).

En los primeros instantes tras el Big Bang, había casi la misma cantidad de materia y antimateria. Pero algo rompió el equilibrio; de lo contrario, todo se habría aniquilado en radiación y el mundo habría quedado vacío. Uno de los candidatos a 'rompedor' son los neutrinos diestros superpesados.

En la imagen clásica del mundo, la gravedad son suaves curvaturas del espacio y del tiempo. Pero a nivel microscópico, donde manda la mecánica cuántica, esas curvaturas deberían convertirse en un ondulamiento granulado. Las partículas de ese ondulamiento se llaman gravitones.

Un observatorio de ondas gravitacionales se parece a un micrófono distribuido en diferentes puntos de la Tierra. Cuando llega una señal del espacio —por ejemplo, de la fusión de agujeros negros o de la explosión de una supernova—, cada micrófono escucha algo ligeramente distinto.

Las ondas en un estanque se expanden en círculos desde la piedra que se lanza. Ahora imagina que el propio estanque comienza a temblar ligeramente: el agua no solo se agita por la piedra, sino también por sí misma. Algo similar ocurre con las ondas gravitacionales en un espacio donde pulsa un campo escalar especial.

Los púlsares son estrellas muertas que giran con un ritmo impecable. Sus destellos de radio son más precisos que relojes atómicos. Sin embargo, las ondas gravitacionales —ondulaciones del tejido del espacio-tiempo, predichas por Einstein— desajustan ese ritmo.

Las ondas gravitacionales son vibraciones del propio tejido del espacio-tiempo, similares a las oscilaciones de una gigantesca cuerda cósmica.

El universo a veces se parece a una olla de agua hirviendo. Con suficiente calor, el líquido se convierte en vapor: eso es una transición de fase. En el universo temprano también pudo ocurrir algo similar: un campo que llenaba el espacio cambió repentinamente de estado, como el agua que se convierte en gas.

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.

Las ondas gravitacionales son el temblor del espacio provocado por la fusión de agujeros negros y estrellas de neutrones.

Ya en la década de 1960, el físico Joseph Weber intentó captar ondas gravitacionales con cilindros de aluminio que debían vibrar como diapasones por la ondulación del espacio-tiempo.

La sinfonía suena, pero en la partitura se ha colado una nota falsa apenas perceptible. Así, más o menos, buscan los físicos desviaciones de la relatividad general en los 'sonidos' del universo: las ondas gravitacionales producidas por la fusión de agujeros negros.

Una orquesta lejana interpreta una sinfonía, pero la grabación está llena de interferencias. La melodía está escrita para dos instrumentos, pero del ruido parece emerger una tercera voz, suave y desconocida. Así escuchan los astrofísicos las ondas gravitacionales, tratando de captar las más mínimas desviaciones de las predicciones de Einstein.

Un cristal plano de átomos cargados, suspendidos en una trampa electromagnética, funciona como un estanque perfectamente liso. El más mínimo soplo produce ondas en su superficie. Este «estanque» capta los chapoteos de partículas de materia oscura y ondas del espacio-tiempo: ondas gravitacionales de alta frecuencia.

Los relojes no son solo agujas. Todo núcleo atómico es un metrónomo natural: oscila con una regularidad casi perfecta. Si se eleva un metrónomo de estos un par de metros, su ritmo se acelera ligeramente: esto es la curvatura del tiempo, predicha por Einstein.

Los pulmones no son dos sacos, sino millones de diminutos alveolos donde entra el aire y llega la sangre. Para ver cómo funcionan, los médicos a veces usan resonancia magnética sin contraste: el aparato capta señales débiles de los propios tejidos. Pero esas señales se parecen a una radio en medio de una tormenta: la respiración se altera, el pulso salta y la imagen se desmorona.

Un rayo de luz que atraviesa una placa transparente normalmente conserva su color. Pero si la placa se compone de capas delgadas alternadas, se convierte en una rejilla que refleja y transmite las ondas de forma selectiva. Esto se usa desde hace tiempo en láseres y filtros ópticos. Ahora, estas rejillas se han hecho vibrar y la luz ha empezado a cambiar de color.

Un rayo láser mantiene un ion individual en el vacío, y este ion se comporta como una canica encerrada entre dos hoyos. Los hoyos no son agujeros en el suelo, sino regiones donde al ion le resulta energéticamente favorable estar. En el mundo clásico, la canica rodaría hacia uno de los hoyos y se quedaría allí.

Los agujeros negros primordiales agujeros negros se comportan como teteras hirviendo: al evaporarse, silban con ondas gravitacionales. El carácter del silbido — su espectro — depende de cómo la temperatura del agujero se relaciona con su masa.