ondas gravitacionales

El agua de un tanque gira a casi cuatro vueltas por segundo y, como por arte de magia, surge en ella una columna del tamaño de una mesa de comedor. El vórtice vive durante decenas de vueltas, aunque todo a su alrededor burbujea y tiembla. ¿De dónde sale tanta estabilidad? El secreto es que el vórtice no está aislado.

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 paquete de ondas se parece a un viajero que a veces pierde fuerzas y se dispersa por el camino, a veces mantiene el paso y a veces se concentra. En un canal de 50 metros con agua de 5 metros de profundidad, los científicos observaron cómo se comporta un grupo de olas con forma de campana cuando se cambia su altura pero no su ancho.

Un reflector con haz de ancho variable barre la costa. Su luz son las largas olas oceánicas que nacen en la zona de rompiente y se propagan en ambas direcciones: hacia la playa y hacia mar abierto. Antes se consideraba que este reflector era puntual, pero la zona real de rompiente, donde rompen las olas cortas, tiene un ancho finito que cambia a medida que el frente avanza y retrocede.

Un espejo que vuela a casi cuarenta mil kilómetros por segundo. La luz que incide sobre él rebota, pero ya no es la misma: como una pelota que es devuelta por una raqueta en movimiento. Ese espejo es lo que los científicos han construido dentro de una finísima hebra de vidrio rellena de hidrógeno.

Golpea una campana y sonará en su nota. Un agujero negro, tras una perturbación, también suena, solo que en lugar de sonido, es un temblor del propio espacio. Las frecuencias de este tañido pueden revelar mucho sobre el agujero: qué tan rápido rota y cuál es su masa.

Un intérprete simultáneo en una sala donde hablan dos personas: debe seguir tanto el sentido como la entonación, pero si hablan demasiado rápido, solo queda un resumen. Algo así se sienten los científicos cuando el flujo de ondas gravitacionales de fusiones de agujeros negros y estrellas de neutrones crece, y los cálculos precisos de las señales no dan abasto.

Dos agujeros negros, girando en una danza, se acercan cada vez más rápido y finalmente se fusionan en uno solo. Esta danza no es silenciosa: sacude el propio espacio y el tiempo, y por el universo se propagan ondas gravitacionales.

Los detectores de ondas gravitacionales se parecen a oídos muy sensibles: captan el temblor del espacio cuando, en algún lugar del universo, chocan agujeros negros o estrellas de neutrones. Pero incluso los mejores «oídos» no oyen todo. El nuevo proyecto LIGO A# es como cambiar el tímpano por una membrana más fina y sensible.

Un espejo común intercambia la izquierda y la derecha. Muchas leyes de la física no notan tal sustitución: son simétricas especularmente. Pero algunos fenómenos, como la interacción débil, rompen esta simetría. Hasta ahora se creía que la gravedad y la luz rompían la simetría especular cada una por su cuenta, de manera independiente.

Dos brasas incandescentes, restos de una hoguera, giran en la oscuridad acercándose poco a poco. Con cada vuelta pierden un poco de energía que se escapa en forma de una ondulación invisible del espacio. Así es el sistema eRASSU J060839.5−704014: una pareja de enanas blancas (restos ultradensos de estrellas) separadas por una distancia comparable al diámetro de la Tierra.

Una piedra cae en un estanque y se forman círculos en el agua. Con un agujero negro, tras chocar con otro, ocurre algo parecido: emite ondas gravitacionales que recuerdan al tañido amortiguado de una campana.

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.

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.

Tras la explosión de una supernova, en el centro queda una bola densa del tamaño de una ciudad: una estrella de neutrones recién nacida. Está caliente, comprimida y tiembla como una campana después de un golpe. Esos temblores —las oscilaciones de la estrella— emiten ondas gravitacionales que los sensibles detectores en la Tierra podrían captar.

Dos diminutos diamantes flotan en el vacío, separados por una distancia que la luz no puede recorrer durante el experimento. Dentro de cada uno, como una chispa congelada, reside un espín entrelazado: un estado cuántico que los une en un todo único.

Un puñado de piedritas cae en un estanque: de cada una se expanden círculos. Si las piedras son diferentes, los círculos también lo serán: unos nítidos, otros suaves. Pero cuando miras el agua desde lejos y solo ves una pequeña parte de la ondulación, todas esas diferencias se difuminan.

Una piedra cae en un estanque. Los círculos se expanden, se debilitan y pronto desaparecen. Pero si el estanque fuera infinito y el agua perfecta, la perturbación duraría eternamente, desvaneciéndose poco a poco. En física, estos restos que se atenúan se llaman «colas»: viven mucho después de que la onda principal se ha ido.

La luz en un detector de ondas gravitacionales recorre túneles de varios kilómetros, reflejándose en los espejos. Un haz perfectamente uniforme se asemeja a una sábana lisa sostenida por las esquinas.

Cuando dos bolas pesadas se fusionan en una, los círculos se extienden durante mucho tiempo por la superficie del agua. Un agujero negro se comporta de manera similar: después de la fusión, sigue "tañendo" durante un tiempo, emitiendo oscilaciones gravitacionales especiales: los modos cuasinormales.

En algún lugar de las profundidades del cosmos, dos agujeros negros supermasivos giran uno alrededor del otro. Su danza no es suave: la órbita está estirada, como una goma elástica que se tensa y se comprime. Cada vuelta genera ondas en el tejido del espacio-tiempo: ondas gravitacionales.

Decenas de antenas de radio repartidas por la Tierra llevan años escuchando el tictac de los púlsares lejanos, estrellas muertas que giran y emiten impulsos con más puntualidad que los relojes atómicos. Cuando una onda gravitatoria pasa entre la estrella y nosotros, el tictac se desajusta un poquito.

En los primeros instantes después del Big Bang, el universo se expandió más rápido de lo que la luz podía cruzarlo. Como un globo que se infla, pero en lugar de goma, el propio espacio. En este globo inevitablemente aparecían ondas: diminutas compresiones y rarefacciones de las que luego surgieron todas las galaxias y estrellas.

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.

Una piedra cae en un estanque y se forman círculos en el agua. De manera similar, los cuerpos masivos generan ondas gravitacionales, solo que aquí es el propio espacio el que oscila. Hasta ahora, estas ondas se han detectado con enormes detectores: estos se estremecen ligeramente cuando una onda los atraviesa. ¿Y qué ocurre a nivel microscópico, dentro de un diminuto trozo de materia?

Cuando inflas un globo demasiado rápido, sus paredes empiezan a vibrar. Algo parecido le ocurrió al espacio en los primeros instantes después del Big Bang: el universo se expandía a toda prisa y la propia trama del espacio se llenó de ondulaciones.

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.

La fusión de dos estrellas de neutrones no es solo una colisión. Antes de tocarse, se deforman mutuamente por fuerzas de marea, y esa deformación depende de si la materia interior es 'blanda' o 'rígida'. La materia rígida opone más resistencia; la blanda cambia de forma con más facilidad.

Una nube de polvo cósmico, homogénea y esférica, comienza a contraerse bajo su propia gravedad. En algún momento, según las leyes clásicas, debería colapsar en un punto de densidad infinita: una singularidad.

Una habitación silenciosa, y en ella hay que distinguir una melodía entre muchos susurros apenas audibles. Así es más o menos la búsqueda de señales de sistemas extremos de dos agujeros negros: uno enorme y el otro millones de veces más pequeño.

Dos cuerpos masivos, suspendidos en una superposición cuántica, recuerdan a una pareja de bailarines que intenta mantener un ritmo común mientras a su alrededor una orquesta hace ruido. Cada onda gravitacional es como un músico que los saca del compás.

En algún lugar de las profundidades de la Vía Láctea, de vez en cuando estallan pulsos de radio: raros, pausados, como los golpes de un metrónomo lejano. Estos transitorios de radio de período largo se descubrieron hace muy poco y de inmediato dejaron perplejos a los astrónomos.

Todo comenzó con un estiramiento. En las primeras fracciones de segundo, el universo se infló —los físicos llaman a esto inflación. Luego, la expansión vertiginosa dio paso a una fase en la que la energía del campo se transformó en partículas ordinarias.

La luz que se aleja de un cuerpo masivo pierde fuerza. Su frecuencia disminuye ligeramente y el color se desplaza hacia el rojo. Los físicos llaman a esto corrimiento al rojo gravitacional. En la teoría clásica todo está claro, pero en cuanto hablamos de cuantos, empiezan las dificultades.

Una onda gravitacional de la fusión de agujeros negros es como el tañido de una campana en la noche. Por la fuerza del sonido se puede saber lo lejos que está la fuente.

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 el final de la vida de una estrella masiva, su núcleo colapsa en fracciones de segundo, dando origen a un destello de supernova. Este cataclismo sacude el propio espacio-tiempo: emite ondas gravitacionales, ondas que atraviesan el Universo.

Un agujero negro no es solo una aspiradora cósmica. Si rota, puede amplificar las ondas a su alrededor, como un eco de montaña que repite el sonido. Para la materia oscura ultraligera (partículas miles de millones de veces más ligeras que el electrón), este efecto, llamado superradiancia, podría crear una nube enorme.

En una habitación oscura apenas se oye un susurro. Para distinguir las palabras, hay que acercarse mucho — o colocar muchos micrófonos sensibles.

En un sistema estelar binario, una estrella arranca materia de su compañera. Durante siglos, esta materia se acumula en la superficie de la estrella de neutrones, un remanente superdenso de una estrella que ha muerto. Este proceso, conocido como acreción, suele desarrollarse de manera gradual.