Einstein

El descubrimiento científico que demuestra que hasta Einstein podía equivocarse

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Galileo, Newton, Einstein o Maxwell: analizamos el largo camino de descubrimientos que han desembocado en el hallazgo sobre el origen del universo anunciado esta semana

Acabamos de asistir a la presentación de los resultados del experimento BICEP2 y  la onda expansiva mediática que ha generado, dada la importancia de sus consecuencias. En breve, este experimento ha conseguido medir el efecto de las ondas gravitatorias producidas prácticamente en el origen del universo (en el Big Bang) en el fondo cósmico de radiación de microondas, un fósil de las épocas primitivas del universo, en las cuales se formaron los primeros átomos y se desacoplaron la materia y la radiación. Este fondo fue detectado hace 50 años por Arno Penzias y Robert Wilson (ambos obtuvieron el Nobel de Física en el año 1978 por este hallazgo) y, desde entonces, ha sido una fuente inagotable de información sobre la historia del universo y los procesos físicos que tuvieron lugar en sus diferentes etapas.

Ahora, la colaboración BICEP2 nos proporciona la siguiente entrega, ni más ni menos que  evidencia de las ondas gravitatorias generadas en el inicio del universo, proporcionando más soporte a la teoría de la inflación cosmológica, la cual nos dice que en los instantes iniciales del universo hubo una inmensa expansión del espacio en un periodo brevísimo de tiempo. Esto es fundamental para entender cómo diminutas fluctuaciones cuánticas presentes en el inicio del universo pudieron ser amplificadas para dar lugar a las semillas de las estructuras a gran escala que hoy vemos (galaxias, cúmulos de galaxias, etc). Todo esto es muy interesante pero el punto clave de las observaciones de BICEP2 es la evidencia de las ondas gravitatorias primigenias. Y la pregunta que surge de forma inmediata es qué son las ondas gravitatorias. En lo que sigue intentaré dar una respuesta a esta pregunta repasando su historia básica y mencionando el enorme potencial que tienen para proporcionarnos en el futuro cercano descubrimientos tan revolucionarios como el anunciado por BICEP2 o incluso de mayor envergadura.

La historia del Big Bang

Podríamos comenzar esta historia precisamente con el origen del estudio de otras ondas mucho más conocidas por todos, las ondas electromagnéticas. Para ello nos hemos de remontar a la época en la que  James Clerk Maxwell (1831-1879) sintetizó todo el conocimiento previo sobre electricidad y magnetismo en una teoría única de la que dedujo la existencia de las ondas electromagnéticas (oscilaciones de los campos eléctricos y magnéticos que se viajan por el espacio). Fue incluso más allá concluyendo que la luz misma no es más que ondas electromagnéticas.

En 1905, Albert Einstein revolucionó la física con la publicación de la teoría especial de la relatividad, la cual resolvía las inconsistencias entre las leyes del movimiento de Galileo y Newton y el electromagnetismo de Maxwell, cambiando las nociones de las relaciones entre espacio y tiempo establecidas. Einstein se dio cuenta de que su teoría generaba, a su vez inconsistencias, con las leyes de gravedad de Newton y se lanzó a la  búsqueda de una teoría que resolviese este problema. Fue un largo camino de diez años que concluyó en el 1915 con la finalización de la teoría general de la relatividad, conocida simplemente como relatividad general, un logro intelectual inmenso. La relatividad general supone un ruptura con concepto de la gravedad como fuerza, presentándola como la manifestación de la estructura geométrica del espacio y del tiempo, la cual se determina por la cantidad de masa y energía (cuya equivalencia estableció la relatividad misma) presentes. De esta forma, el Sol deforma la geometría a su alrededor de tal forma que la órbitas de los planetas no son más que las trayectorias de recorrido más corto en esa geometría.

Einstein nos proporcionó, junto con la relatividad general, tres predicciones de esta teoría: Primero, la desviación de la luz al pasar cerca de objetos masivos. Segundo, una explicación a la precesión anómala de Mercurio. Y tercero, la existencia de ondas gravitatorias. Las dos primeras fueron comprobadas hace tiempo, y en particular la primera le dio a Einstein fama mundial tras el anunció en 1919 de que las observaciones durante un eclipse solar total confirmaban la predicción. De la tercera predicción sólo tenemos evidencia indirecta ,aunque muy sólida, como veremos.

¿Qué son las ondas gravitatorias?

Las ondas gravitatorias son una consecuencia del hecho de que el espacio pase de ser un simple contenedor de los fenómenos físicos (en la física de Galileo y Newton) a convertirse en un objeto dinámico, en el sentido que su geometría cambia conforme a los movimientos y distribuciones de masas y energía. Al tiempo físico le sucede algo similar, de forma que su transcurso también depende de la distribución de masa y energía. Una consecuencia de este carácter dinámico del espacio-tiempo es que las oscilaciones de su geometría se propagan como ondas a la velocidad de la luz. Las ondas gravitatorias, al cambiar la geometría local de las regiones que atraviesan, cambian la distancia física entre objetos, siendo dicho cambio proporcional a la distancia misma y a la amplitud de la ondas.

Aunque Einstein mismo las predijo e incluso describió muchas de sus propiedades, es conocido que más tarde, en dos ocasiones, declaró que no existen las ondas gravitatorias, cambiando de opinión las dos veces. Aunque actualmente no hay dudas sobre su existencia y sobre cómo se generan, el tema ha sido objeto histórico de grandes controversias teóricas y debates espinosos.

En cualquier caso, las dudas se disiparon tras el descubrimiento en 1974 del primer púlsar binario,  PSR B1913+16, por  Russell Hulse y Joseph Taylor (Nobel de Física en el año 1993). Los púlsares son estrellas de neutrones que emiten electromagnéticamente en la dirección del eje de su fuerte campo magnético, el cual no suele estar alineado con el eje de rotación, haciendo que los pulsares sean poderosos faros cósmicos. Los pulsos que recibimos llegan con un ritmo tan uniforme que los convierte en relojes de precisión comparable a los relojes atómicos.

El púlsar de Hulse y Taylor orbita alrededor de otra estrella de neutrones de forma que el tamaño de la órbita es suficientemente pequeño como para que estas estrellas tan compactas (¡su masa es mayor que la del Sol pero su radio es de tan sólo unos 10 kilómetros!) se muevan de forma que los efectos relativistas importen para una descripción precisa del sistema. En particular, el movimiento orbital periódico de estas estrellas de neutrones produce cambios periódicos significativos en la geometría del espacio-tiempo de su entorno, es decir, ondas gravitatorias que se llevan energía disminuyendo el tamaño y el periodo orbital. Los casi 40 años de observaciones del púlsar binario de Hulse y Taylor han permitido comprobar que la evolución de su órbita coincide con la predicha por el mecanismo de emisión de radiación gravitatoria de la relatividad general con una precisión relativa del 0,2%.

La debilidad de la gravedad en relación a otras interacciones físicas implica que las ondas gravitatorias tengan una amplitud relativamente pequeñ, y que su detección sea una empresa extremadamente complicada, sólo siendo posible detectar aquellas producidas en grandes cataclismos cósmicos, como la colisión de dos estrellas de neutrones o de dos agujeros negros. Aún así, las ondas gravitatorias emitidas inducirían desplazamientos subatómicos en un detector. Por lo tanto, la construcción de un detector de ondas gravitatorias supone un gran reto tecnológico, y tal empresa no comenzó hasta los años 60, con el trabajo pionero de Joseph Weber en detectores resonantes. Los detectores actuales usan la interferometría láser, siendo la idea de funcionamiento relativamente simple: cuando una onda gravitatoria incide perpendicularmente al plano del detector produce cambios en la longitud de los brazos del interferómetro, de forma que mientras uno se acorta el otro se alarga y viceversa. Estos cambios dan lugar a interferencias de las cuales se puede inferir el patrón de las ondas gravitatorias que han atravesado el detector.

Tras décadas de desarrollo científico y tecnológico, nos encontramos ante la que promete ser la era de la astronomía de ondas gravitatorias. Para ello hay varios frentes de acción en marcha. En tierra tenemos que a finales de este año la segunda generación de detectores interferométricos terrestres comience a operar y se espera que anuncie las primeras detecciones en los próximos años. Este esfuerzo está liderado por los detectores  LIGO en los Estados Unidos (de 4 kilómetros de brazo) y VIRGO en Italia con participación de varios países europeos (3 kilómetros de brazo). Japón se unirá a esta carrera con su futuro detector  KAGRA (bajo tierra y con criogenia), mientras que Alemania mantiene GEO600 (600 metros de brazo), el cual ha servido de prototipo para gran parte de la tecnología involucrada en estos instrumentos.

Los detectores terrestres operan en la banda alta de frecuencias, donde serán sensibles a las ondas gravitatorias emitidas principalmente por colisiones de sistemas binarios formados por agujeros negros estelares y estrellas de neutrones; oscilaciones de estrellas de neutrones; explosiones de supernovas; y fondos cosmológicos de diverso origen. Estas observaciones revelarán información clave para entender la formación de objetos compactos estelares, la ecuación de estado de estrellas de neutrones o la validez de la relatividad general.

Por otro lado, los detectores terrestres, debido al ruido producido por gradientes en el campo gravitatorio terrestre, no pueden acceder a la banda de bajas frecuencias, la cual es de gran interés por el tipo de fuentes de ondas gravitatorias que contiene y el potencial científico de estas. Por este motivo, la Agencia Europea del Espacio (ESA) acaba recientemente de seleccionar para su futura misión L3 (clase grande) la ciencia del detector de ondas gravitatorias espacial  eLISA (con un presupuesto de has ta 1.400 millones de euros y un lanzamiento previsto para 2034). Las fuentes que eLISA podrá detectar son colisiones de agujeros negros supermasivos (por encima del millón de masas solares); la captura y posterior caída orbital de objetos estelares compactos (enanas blancas, estrellas de neutrones, agujeros negros estelares) hacia agujeros negros supermasivos; sistemas estelares binarios ultracompactos en nuestra galaxia; fondos de radiación gravitatoria de origen cosmológico; etc. Con las observaciones de eLISA de este tipo de sistemas se podrán estudiar cuestiones tan importantes como el origen y crecimiento de los agujeros negros supermasivos, así como su conexión con los procesos de formación y evolución galáctica; entender la dinámica estelar en núcleos galácticos; comprobar si los agujeros negros son como los describe la relatividad general y poner a prueba teorías alternativas a la relatividad general.

Misión de la ESA

El próximo año asistiremos al lanzamiento de la misión LISA  Pathfinder de la ESA, la cual se encargará de demostrar la tecnología principal de eLISA, con participación destacada del Instituto de Ciencias del Espacio (CSIC-IEEC), que contribuye a la misión con instrumentos fundamentales como el ordenador que controla el conjunto de experimentos que LISA Pathfinder realizará y el subsistema de diagnósticos.

Por último, se están utilizando las mediciones de un conjunto de púlsares con periodos del orden de milisegundos para la detección de ondas gravitatorias en la banda de frecuencias muy bajas. La idea básica es que cuando las ondas gravitatorias atraviesen la región entre los púlsares y la Tierra inducirán cambios en los tiempos de llegada de los pulsos que nos informarán de su presencia. Las fuentes en esta banda incluyen los agujeros negros más masivos, con masas superiores a cientos de millones de veces la masa del Sol, y fondos de radiación gravitatoria de origen diverso.

En resumen, en los próximos años asistiremos progresivamente al establecimiento de una nueva forma de ver y entender el cosmos, la astronomía de ondas gravitatorias, gracias al comienzo de operaciones de la segunda generación de observatorios terrestres, el desarrollo de un observatorio espacial como eLISA, y la observación de alta precisión de múltiples púlsares. Siempre que una nueva ventana para explorar el universo se ha abierto nos hemos encontrado con grandes descubrimientos, muchos de ellos inesperados. En este sentido, la astronomía de ondas gravitatorias nos abre una nueva ventana de la mano de un nuevo mensajero, la gravedad, que nos augura grandes descubrimientos que pueden revolucionar nuestro conocimiento en astrofísica, cosmología y física fundamental.

Carlos Sopuerta es Investigador del Instituto de Ciencias del Espacio (IEEC-CSIC) y participante en la misión espacial LISA 'Pathfinder'