lente gravitacional fuerte

Una línea de montaje en una fábrica escupe piezas de una en una por ciclo. Si el ciclo es corto y hay pocos defectos, la línea va rápida. En óptica cuántica, el papel de esa línea lo desempeña una fuente de fotones individuales: debe emitir exactamente un cuanto de luz por cada ciclo, y cuanto más frecuentes sean los ciclos, más fotones viajan por la fibra óptica.

Un láser golpea un átomo y arranca un electrón. Cuanto más brillante es la luz, más fuerte es el empujón y más rápido sale el electrón. Así funciona la imagen habitual, donde la luz es una onda uniforme. Pero, ¿y si la luz no es uniforme, sino 'comprimida', con fluctuaciones cuánticas, como el temblor de una cuerda?

El cielo nocturno parece uniforme, pero en realidad tiene grumos: enormes comunidades de galaxias que, como lentes, curvan la luz de objetos distantes. Cuando en algún lugar del universo ocurre una breve y potente ráfaga de radio, su camino hacia el telescopio terrestre puede pasar cerca de uno de estos grumos.

Un haz de láser débil incide sobre una diminuta estructura: una cavidad híbrida de metal y vidrio. Dentro está encerrada una única molécula luminosa. Normalmente, esa luz solo cambia ligeramente de color al dispersarse en las vibraciones térmicas de los átomos.

En el centro de nuestra galaxia vive el agujero negro supermasivo Sagitario A*. Si un compañero invisible gira a su alrededor, su danza se puede notar por la luz de otras estrellas. La gravedad de este par actúa como una lente: cuando los agujeros negros pasan frente a una estrella de fondo, su luz se amplifica momentáneamente y se duplica.

En 2016, los astrónomos observaron algo increíble: una estrella lejana, llamada Ícaro, brilló con intensidad durante varias semanas, superando el abismo del espacio.

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 es un laberinto gigante de espejos curvos. La masa de galaxias y cúmulos distorsiona la luz de quásares lejanos, como jugando con nuestra percepción del cosmos. En esta casa de los espejos se esconde la solución del mayor misterio: la energía oscura, que acelera la expansión del espacio cada vez más.

El cosmos coloca sus propias lentes en el camino de las ondas gravitacionales. Cuando dos agujeros negros se fusionan, la ondulación resultante viaja a través del universo.

Un rayo cósmico se acerca a un agujero negro casi en tangente. No cae de inmediato, sino que se detiene en una órbita inestable, como un acróbata que se balancea sobre una cuerda sobre el abismo. Tras dar varias vueltas, la luz finalmente escapa hacia un observador lejano. Estos rayos producen múltiples imágenes de una misma fuente, conocidas como imágenes de orden superior.

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).

La constante cosmológica hace que el universo se expanda de forma acelerada. En un futuro lejano, cuando toda la materia se haya dispersado, solo quedará el espacio de Sitter vacío, un fondo cósmico perfecto.

Dos micrófonos sensibles escuchan el universo. Uno oye un zumbido grave, el otro casi nada. No es que estén averiados, sino cómo están orientados. Los observatorios de ondas gravitacionales como LIGO no solo captan los estallidos fuertes de las fusiones de agujeros negros.

El gigantesco cúmulo de galaxias Abell S1063, situado a 4 mil millones de años luz, funciona no solo como una lente, sino como un pozo gravitacional del tiempo.

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.

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

El espacio-tiempo puede imaginarse como una tela bien tensada. Un cuerpo masivo la hunde, dirigiendo la luz. El giro, en cambio, retuerce la tela en espiral. Ese remolino gravitacional es capaz de entrelazar un fotón pasajero con la propia fuente del giro — por ejemplo, un diminuto espejo.

Cada partícula cuántica tiene espín — una propiedad magnética interna, como una diminuta flecha. En el experimento, un haz de tales partículas, al pasar por un imán, se divide en dos partes — como una moneda que sale cara o cruz. Así se comportan partículas como el átomo de hidrógeno.

Un agujero negro no es una esfera perfectamente lisa. La teoría de Einstein permite que a su alrededor pululen «pelos» invisibles: acumulaciones de campo escalar que curvan el espacio-tiempo.

La gravedad del agujero negro crea una curvatura del espacio, actuando como una lente: la luz de una galaxia lejana se desdobla, se alarga en arcos.

Dos agujeros negros chocan de frente a gran velocidad, mientras un tercero orbita cerca. En la vida cotidiana, un accidente así generaría una ráfaga de ondas gravitacionales (ondulaciones en el espacio, como las que produce una piedra al caer en un estanque).

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 Universo es una enorme ciudad. La materia oscura es el armazón invisible de los edificios, y la energía oscura es la fuerza que estira las calles. Durante mucho tiempo se las consideró independientes, pero una nueva investigación las ha pillado en comunicación secreta.

Una piedra cae en un estanque y las ondas se expanden en círculos. Si la piedra no cae, sino que pasa rozando la superficie a gran velocidad, de su movimiento surge una onda recta que corre por el agua. Cuando esa onda choca con un tronco flotante, desde el punto de impacto vuelven a salir círculos.

La teoría de la gravedad de Einstein explica cómo la masa hace que el espacio y el tiempo se curven. La fidelidad de estas ideas se ha comprobado cerca de la Tierra, pero las pruebas más rigurosas son posibles cerca de los agujeros negros, donde las distorsiones alcanzan el límite.

Cuando los agujeros negros se acercan y se separan — sin fusionarse, solo rozándose con sus campos gravitacionales — se convierten en proyectiles ideales para poner a prueba las leyes de la gravedad. En campos extremos, donde la dilatación del tiempo alcanza magnitudes monstruosas, cualquier grieta en la teoría brillará con un destello cegador.

La luz se curva alrededor de los cuerpos masivos: esto se sabe desde la época de Einstein. Pero, ¿y si la atracción misma no fuera un tejido suave del espacio, sino un flujo de diminutas partículas portadoras? Entonces, un rayo que pasa junto a una partícula no solo debería doblarse, sino entrar en una relación cuántica especial con ella. Esa relación se llama entrelazamiento.

Un cuásar lejano se nos presenta como cuatro puntitos de luz dispuestos en cruz. Así lo deforma la gravedad de una galaxia que se interpone en nuestra línea de visión: actúa como un vidrio imperfecto y multiplica la imagen. Cada puntito es el mismo objeto, pero su luz nos llega por caminos diferentes.

Una linterna lejana brilla a través de un cristal irregular. El cristal desvía los rayos y, en lugar de una sola lucecita, en la pared aparecen varias: unas más brillantes, otras más tenues. De manera parecida, una galaxia masiva curva la luz de una estrella que ha explotado. La explosión fue una sola, pero en las imágenes se ven cuatro puntos luminosos.

La luz ordinaria es como una multitud en una plaza: cada fotón se mueve por su cuenta, chocando y dispersándose. Pero en algunos medios, los fotones, como una jauría de perros, comienzan a correr juntos: se agrupan. Los científicos han creado un láser de fibra aleatoria donde las partículas de luz se reúnen en bandadas especialmente densas.

Una peonza pesada lanzada cerca de un agujero negro no sigue la curva que dibujan los libros de texto. Su propia rotación y su achatamiento —como el de una calabaza aplastada por los polos— hacen que la trayectoria zigzaguee. En este nuevo trabajo, ese camino zigzagueante se ha calculado con mayor precisión que nunca.

Un láser de electrones libres convencional se parece a un instrumento musical con una sola cuerda: solo puede tocar una nota hasta que se modifica su construcción. Para obtener otra longitud de onda, hay que reajustar los imanes o acelerar los electrones con más fuerza. Eso es caro y voluminoso.

Una linterna en una niebla espesa es inútil: el haz se dispersa y la luz reflejada se ahoga en el ruido. Pero si se unen dos fotones con un hilo invisible, uno de ellos puede atravesar la niebla y volver, mientras el otro permanece a salvo. Esa conexión se llama entrelazamiento cuántico: dos partículas se comportan como un todo único, incluso cuando están muy separadas.

Un cúmulo de galaxias, con su gravedad, curva el espacio-tiempo, funcionando como una lente gigantesca: enfoca y amplifica la luz de objetos distantes, tal como lo predijo Einstein. Estas lentes son escasas, pero permiten ver lo que está oculto en los confines del universo.

La luz de una galaxia lejana viaja hacia nosotros durante miles de millones de años, pero en el camino puede toparse con un cúmulo masivo de galaxias. Su gravedad actúa como un vidrio curvo: desvía la trayectoria de los rayos y, en lugar de una sola imagen, vemos varias — a veces en forma de arcos, a veces de puntos.

Si se produce un breve destello de luz cerca de un agujero negro, este responde con un eco prolongado, como una campana que sigue sonando después del golpe. La luz se retrasa cerca del agujero, reflejándose una y otra vez en una frontera invisible: la esfera de fotones, donde los rayos giran en círculos, como el sonido en el metal.

La fusión de agujeros negros genera una onda gravitacional. A veces, en el camino de la onda se interpone una galaxia o un grumo de materia oscura, predicha por Zwicky y descubierta por Rubin.

Un agujero negro no solo engulle materia: como un remolino cósmico gigante, curva el propio tejido de la realidad y hace que los rayos de luz la rodeen, enfocándolos. El efecto es aún más fuerte en los agujeros negros que giran casi a la velocidad de la luz: su rotación retuerce el espacio en una espiral apretada.

Los científicos han descrito un nuevo tipo de estrella invisible que se comporta como una lente que respira. Tal estrella está compuesta de partículas bosónicas ultraligeras (aún no descubiertas). Su atracción provoca una curvatura del espacio-tiempo, que es justamente la lente, la cual se expande y contrae rítmicamente, como si respirara.