Un avance hacia el sueño de Einstein

Los hallazgos de Rainer Weiss, Barry C. Barish y Kip S. Thorne abren un camino hacia la unificación de la relatividad general y la mecánica cuántica


Oviedo

El 16 de febrero de 2016 la colaboración científica LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) junto con la colaboración VIRGO anunciaron por primera vez la detección de ondas gravitacionales, las famosas ondulaciones en el tejido del espacio-tiempo. Las dos colaboraciones realizaron una publicación, que ya puede considerarse histórica, en la que se mostraba la señal de la onda gravitacional producida por la colisión de dos agujeros negros 36 y 29 veces más pesados que el sol, y que tuvo lugar hace unos 1.300 millones de años, o que se produjo a una distancia de aproximadamente 1.300 millones de años luz. Una segunda señal se detectó tres meses más tarde y una tercera en enero de 2017, anunciada en junio. Ambas colaboraciones, LIGO y Virgo, anunciaron hace dos semanas que habían detectado la señal de una cuarta onda gravitacional, la primera usando tres detectores diferentes, los dos de LIGO en Hanford, al sureste del estado de Washington, y en Livingston, en Luisiana, ambos en Estados Unidos, y el de Virgo cerca de Pisa, en Italia. Esta detección directa, ha confirmado una de las predicciones de la relatividad general de Einstein, realizada hace casi un siglo. Este fenómeno, había sido probado, pero solo indirectamente, en 1974, estudiando el periodo de la órbita de un pulsar binario. Este pulsar ha continuado siendo observado desde entonces y se ha confirmado que las modificaciones en su órbita estaban completamente de acuerdo con las predicciones de la relatividad general en el sentido que la disminución del periodo de su órbita es consistente con la pérdida de energía esperada debida a la emisión de ondas gravitacionales. R. A. Hulse y J.H. Taylor, Jr., recibieron el premio Nobel en 1993 por este descubrimiento.

Las ondas gravitacionales están causadas por algunos de los procesos más violentos y energéticos que se producen en el Universo. Se crean cuando una masa se acelera, como, por ejemplo, la colisión de dos agujeros negros que giran uno alrededor del otro, el colapso del core de una estrella dando lugar a supernovas, o colisiones de estrellas de neutrones o enanas blancas. Estas ondas viajan a la velocidad de la luz a lo largo de todo el universo, portando información acerca de su origen, así como posiblemente, de la naturaleza intrínseca de la interacción gravitatoria. Einstein pensaba que, en realidad, nunca podrían llegar a observarse, pues la interacción de la onda gravitacional con la materia sería demasiado débil para ser detectada directamente. Cuando estas ondas llegan a la tierra, producen modificaciones del espacio-tiempo miles de veces más pequeñas que el tamaño del núcleo atómico, de ahí en parte la extraordinaria dificultad de su detección.

Durante siglos, se ha observado la luz, que proviene de diferentes partes de nuestro Universo (estrellas, galaxias, etc.) con telescopios cada vez más potentes y sofisticados en un amplio rango de longitudes de onda. Ello nos ha permitido ir entendiendo no solo estos objetos, sino otros aspectos relacionados con el origen, las características, y en cierta medida con el destino del Universo. De modo complementario, durante las últimas décadas, se han ido construyendo otros instrumentos que han permitido realizar nuevos avances en la comprensión del Universo, explotando otras formas de radiación, neutrinos, rayos cósmicos, y recientemente, ondas gravitacionales.

Los primeros intentos serios de construcción de sistemas de detección de ondas gravitacionales datan de los años 1960-70. Desde entonces comenzó el interés por detectores basados en interferometría, que permiten registrar la forma de la onda y permiten por tanto determinar la masa y la distancia de la fuente que las produjo.

LIGO ha utilizado dos grandes interferómetros láser en forma de L, de cuatro kilómetros de longitud cada uno, para medir precisamente un cambio en el detector de la magnitud antes mencionada, órdenes de magnitud menor que un núcleo atómico, provocado cuando una onda gravitacional pasa por la Tierra. Se trata del instrumento más grande y preciso de estas características jamás construido, que comenzó a tomar datos en el 2002, y ha sufrido diversas actualizaciones y mejoras, hasta que, con la configuración actual del 2015 (LIGO avanzado), detectó la primera onda gravitacional en septiembre de ese año, que, como ya se ha dicho, constituye un descubrimiento extraordinario que abre una ventana completamente nueva al conocimiento del Universo.

Rainer Weiss, Barry C. Barish y Kip S. Thorne, de la colaboración LIGO/Virgo, han recibido el premio princesa de Asturias, y recientemente el premio Nobel de Física, por «sus contribuciones decisivas al detector LIGO y a la observación de ondas gravitacionales».

Weiss y Thorne junto con Drever, recientemente fallecido, iniciaron en 1984 el proyecto LIGO, que fue liderado por Barish desde 1994 hasta 2005.

En el momento del descubrimiento, y en la actualidad, la colaboración LIGO, está formada por más de un millar de científicos de casi cien instituciones de los cinco continentes. No se puede dejar de mencionar la importante contribución española, a través del grupo de Relatividad y Gravitación de la Universidad de las Islas Baleares, así como del grupo de la Universidad de Valencia en Virgo, cuyos miembros pertenecen al Departamento de Astronomía y Astrofísica y al Departamento de Matemáticas. 

En la actualidad se están desarrollando un gran número de proyectos para la detección de este tipo de ondas, lo que permitirá el desarrollo de un nuevo tipo de astronomía de ondas gravitacionales en las próximas décadas. Ello proporcionará información crucial sobre la estructura del Universo y de algunos de sus fenómenos más violentos, incluso de aquellos que se producen en regiones que no se pueden explorar con otros tipos de radiación. Además, y desde un punto de vista muy fundamental, se espera que la comprensión de estos fenómenos pueda conducir a la unificación de la Relatividad General y la Mecánica Cuántica, el sueño de Einstein.

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