ley de la gravitación universal

En el centro de una estrella de neutrones, la materia está tan comprimida que una cucharadita pesa mil millones de toneladas. Parecería que no hay mejor lugar para buscar rastros de gravedad cuántica. Pero entre el laboratorio y la escala fundamental hay un abismo de 10⁸⁰ en densidad. Tres puertas conducen a esa habitación.

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.

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.

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.

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 intérprete se distrae con cada susurro en la sala, y una reunión de una hora se convierte en dos. Una entonación equivocada cambia el significado hasta hacerlo irreconocible. Algo parecido le ocurre a la partícula con espín 3/2: el gravitino. No puede existir en solitario: su "discurso" debe estar perfectamente coordinado con el entorno, o toda la construcción se desmorona.

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.

Dos casas con fachadas idénticas. Ventanas, puertas, color de las paredes: todo coincide. Pero por dentro, una está vacía y la otra rebosa vida. ¿Cómo saberlo sin entrar? En el espacio hay un problema similar: un agujero negro y un gravastar se ven igual por fuera, pero están construidos de manera diferente.

Dos ciudades con la misma densidad media de población. En una, una cuadrícula ordenada de manzanas; en la otra, un laberinto de callejones estrechos y plazas inesperadas. En el mapa global parecen gemelas, pero la vida dentro de ellas fluye de manera muy distinta.

Cuarenta chispas rojizas se detuvieron en las imágenes del JWST. El telescopio las distinguió en las profundidades del cosmos, a distancias donde la edad del Universo era inferior a dos mil millones de años. Estos objetos son núcleo galáctico activo, pero muy compactos y inusualmente rojos.

El 26 de septiembre de 2022, la sonda DART impactó a 6,6 km/s contra el asteroide Dimorfo. Un fuente de escombros se elevó al espacio. Rocas, polvo, granos de arena: todo se alzó en un destello silencioso. Dos años después, una simulación numérica de 20 millones de trayectorias reveló el destino de cada partícula.

La luz en una lente cambia de dirección, eso lo sabe todo el mundo. Las ondas gravitacionales, al pasar cerca de un cuerpo masivo, también curvan su trayectoria.

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.

A 26 000 años luz de la Tierra, en el corazón de la Vía Láctea, la estrella S301 se precipita a través del espacio a 18 000 kilómetros por segundo. Rodea el agujero negro supermasivo Sgr A* en una órbita alargada. En el punto de máximo acercamiento, la estrella se encuentra a solo 280 radios gravitacionales, algo así como del Sol a Urano.

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.

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.

1799 kilómetros por segundo: a esa velocidad la estrella S5-HVS1 abandona para siempre la galaxia. Hace 4.8 millones de años fue eyectada del centro de la Vía Láctea tras un encuentro cercano con el agujero negro supermasivo Sgr A*.

El universo temprano se parecía a un océano que se enfriaba rápidamente. A temperaturas colosales, todo era uno: quarks, electrones, interacciones se fundían en un 'vapor' simétrico. Pero a medida que se expandía y enfriaba, ese vapor se condensaba, y las transiciones de fase se sucedían como el agua que se convierte en hielo.

Dentro de la supercomputadora, quince grumos de ondas estables —solitones— chocan para formar un halo de materia oscura. Estas ondas obedecen a la ecuación que a principios del siglo XX dedujo Erwin Schrödinger para los electrones, pero ahora dibujan el retrato de un gigantesco capullo galáctico.

Un diminuto satélite, como un nadador, corta las capas invisibles de gas en la envoltura hinchada de una gigante roja. Cada vuelta de su órbita excita una estela acústica —ondas de compresión que viajan a través del plasma. Según la ley de la gravitación universal, el satélite atrae al gas, y el gas al satélite, creando esta estela.

Dos patinadores en un lago congelado hasta el horizonte. Están tan lejos que sus siluetas se han reducido a puntos, y su atracción mutua es casi un concepto teológico. Según los preceptos de Newton, deberían girar en un vals especulativamente lento. Pero los telescopios ven otra cosa.

Cuando una estrella se acerca demasiado a un agujero negro supermasivo, suena un réquiem cósmico: un evento de disrupción de marea. Gracias a la fotometría y la espectroscopia, los astrónomos distinguen cada instrumento de esta orquesta.

El enigma del valle de los radios —una abrupta caída en el número de exoplanetas con un radio de ~1,8 radios terrestres— no deja en paz a los astrónomos.

En lo profundo de la selva amazónica, bajo el dosel de múltiples capas de follaje, yacen enormes figuras de tierra: cuadrados, rectángulos, rombos poco comunes. Durante décadas desafiaron a los arqueólogos con su silenciosa geometría, hasta que un investigador se armó con óptica orbital y vio en ellas un instrumento astronómico.

En el centro de la Vía Láctea, envuelto en polvo y fulgor, se esconde un agujero negro supermasivo: Sagitario A*. A su alrededor, como polillas alrededor de una llama, giran decenas de estrellas guía. Dos de ellas, S2 y S38, con órbitas excéntricas y períodos de pocos años, se han convertido en protagonistas de la verificación de las leyes fundamentales del cosmos.

En el silencio de las frías nubes moleculares, donde el gas interestelar se comprime en densos grumos por la gravedad, el nacimiento de estrellas masivas es uno de los mayores enigmas de la astrofísica.

Un copo de nieve crece, una mancha de petróleo se extiende, una multitud se mueve: las ecuaciones para cada caso son distintas. Pero el final suele ser el mismo: la forma, la velocidad, el patrón obedecen a un esquema simple que se repite a diferentes escalas. Esto es la universalidad: cuando tras los detalles se esconde una ley común.

La materia oscura es el arquitecto invisible del Universo, que evita que las galaxias se dispersen. Gracias a Fritz Zwicky y Vera Rubin sabemos que la materia ordinaria en el cosmos es solo una ínfima impureza. Pero, ¿qué se esconde detrás de esta materia oscura?

Las ondas gravitacionales de la fusión de agujeros negros suenan como acordes graves, los púlsares marcan el ritmo y la radiación cósmica de fondo nos trae ecos del Big Bang. Pero hay un intérprete silencioso: la materia oscura, cuya presencia solo se revela por sus efectos gravitacionales.

Desde hace casi cuarenta años, la superconductividad de alta temperatura en los cupratos sigue siendo uno de los enigmas más profundos de la física de la materia condensada.

El universo temprano con desplazamiento al rojo z>7 fue un escenario de crecimiento desenfrenado: los agujeros negros con masas de hasta mil millones de soles ya brillaban como cuásares, devorando gas a un ritmo monstruoso. Cómo estos gigantes lograron crecer en tan poco tiempo es uno de los enigmas más candentes de la astrofísica.

La teoría de Einstein afirma: un cuerpo masivo en rotación arrastra el espacio a su alrededor, como una cuchara remueve la miel espesa. Este fenómeno se llama arrastre del espacio, y es especialmente notable en los agujeros negros y las estrellas de neutrones.

Cuando el JWST escudriñó el joven Universo a corrimientos al rojo de 6–10, descubrió un enjambre de misteriosos 'pequeños puntos rojos' (LRD). Estos objetos combinaban rasgos de galaxias y núcleos activos, pero sus espectros se negaban a encajar en los esquemas habituales.

Un objeto no puede ser un punto. Al menos, en la gravedad de Einstein. Las ecuaciones de la relatividad general exigen que la fuente del campo — la materia — esté distribuida en el espacio, no concentrada en un volumen infinitamente pequeño.

El problema de los tres cuerpos es el eterno escollo de la mecánica celeste. Ya Poincaré a finales del siglo XIX se dio cuenta de que su caos no admite soluciones analíticas generales. En esta locura gravitatoria solo aparecen de vez en cuando islas de regularidad: las órbitas periódicas.

Al universo temprano se lo suele imaginar como un jardín de infantes: la mayoría de las galaxias son manchas amorfas, turbulentas e irregulares, ahogadas en gas y estallidos de formación estelar.

La frontera dicta las reglas La gravedad cuántica se parece a un teatro donde el espacio-tiempo es el escenario y los campos son los actores. Cuando el escenario tiene un borde, hay que saber exactamente qué ocurre en la frontera: de lo contrario, la función se desmorona.

La gravedad suele explicarse mediante la curvatura del espacio-tiempo. Los cuerpos masivos lo deforman, como una bola de bolos sobre una lámina de goma estirada. Pero este enfoque tiene dos gemelos menos conocidos.