Ondas gravitatorias: A finales de este año podremos escuchar el universo

La predicción de la existencia de ondas gravitatorias surgió por primera vez de la mano del físico alemán Albert Einstein en 1916, un año después de la publicación de su famoso artículo en el que formulaba la teoría de la relatividad general, aunque en ese momento Einstein pensó que dichas ondas eran tan débiles que nunca podrían observarse.
 
El fenómeno de las ondas gravitatorias está implícito en la propia esencia de la teoría de Einstein, la cual postula que la interacción gravitatoria no es como el resto de interacciones en física, en las que las distintas partículas ejercen fuerzas entre ellas, sino que está relacionada con la curvatura del espacio-tiempo.

En palabras del físico estadounidense John Archibald Wheeler, "el espacio-tiempo le dice a la materia como moverse y la materia le dice al espacio-tiempo como curvarse".

Ondas del espacio-tiempo

De esta manera, cualquier masa en movimiento acelerado produce unas perturbaciones en ese espaciotiempo, que se expande y se contrae, y que se propagarán en forma de ondas.

La diferencia fundamental entonces con las ondas que tratamos en nuestro día a día es que las gravitatorias no son ondas de un campo material (como el agua, la luz o el sonido) que se propagan en el espaciotiempo, sino que son ondas del propio espacio-tiempo.
 
A la hora de plantear la observación de estas ondas gravitatorias, se tiene la ventaja de que viajan a través del espacio-tiempo sin dispersarse. La dificultad reside en que, debido a que son tan débiles, sólo objetos muy masivos como agujeros negros o estrellas de neutrones colapsando a enormes velocidades producirán ondas gravitatorias que puedan ser detectables.
 
Por otro lado, de cara a la comprobación observacional de la relatividad general, hace ya décadas que ésta ha superado múltiples test de validez. El hallazgo directo de estas ondas gravitatorias (anunciado el pasado mes de febrero) pone el punto final al descubrimiento de las predicciones más relevantes de la teoría de la relatividad, y proporciona a su vez la primera comprobación de la misma en régimen de gravedad fuerte.

¿Qué es lo que se ha observado?
 
El 14 de septiembre de 2015, los detectores terrestres del observatorio de detección de ondas gravitacionales LIGO (EEUU) percibieron el paso de una onda gravitatoria, algo que no se anunció públicamente hasta meses más tarde para verificar la consistencia de los datos e identificar correctamente el suceso.
 
Este hecho constituye la primera observación directa de las ondas gravitatorias, ya que existe una detección indirecta previa realizada en los años 80 (por Hulse y Taylor, lo que les valió un premio Nobel), basada en la medición de las órbitas de rotación de dos estrellas de neutrones que eran compatibles con los cálculos que asumían la emisión de dichas ondas.
 
La onda gravitatoria detectada en 2015 fue generada por la colisión de dos agujeros negros masivos, con masas de 36 y 29 veces la masa del Sol, formando un agujero negro de 62 masas solares. Las 3 masas solares perdidas en este colapso corresponden a la energía emitida en forma de ondas gravitatorias. Por tanto, también se trata de la primera observación directa de agujeros negros, y más aún, de la fusión de dos agujeros negros tan pesados.
 
Este colapso de agujeros negros se ha calculado que tuvo lugar hace mil millones de años, llegando ahora a la Tierra tan sólo como una perturbación que produciría una diferencia de una longitud en el detector que no sería mayor que el tamaño de un núcleo atómico.

Es por ello que la única forma de detectar este efecto es a través de interferómetros láser. Estos instrumentos constan de dos canales perpendiculares de 4 kilómetro de longitud, en los que se mide la interferencia entre los dos haces de luz perpendiculares que recorren cada uno de los canales.

Cuando no existe perturbación alguna, la interferencia de estas ondas es destructiva y el detector no recibe nada. Sin embargo, al pasar una onda gravitatoria, el efecto diferente sobre cada uno de los brazos del interferómetro hace que esta interferencia ya no sea destructiva, y que aparezca una señal en el detector.
 
La señal fue medida por dos interferómetros situados en lados opuestos de EEUU (en Livingston y Handford), a los que llegó con 7 milisegundos de diferencia, que es lo que tarda la luz en propagarse de uno a otro.

La detección de esta señal a través de dos detectores da fiabilidad a la señal,  pero todavía no hace posible la localización precisa de su origen, ya que no permite una triangulación. Hay que resaltar la contribución española a través de la Universidad de las Islas Baleares tanto en el descubrimiento actual como en los futuros proyectos.
 
Una nueva era de la astronomía
 
Las mediciones de este tipo de ondas serán más completas cuando se mejore la sensibilidad de estos detectores y se pongan en marcha los nuevos detectores (así como el interferómetro espacial LISA), algo que empezará a implementarse a finales de este año.

De forma que, aunque todavía cabe esperar la detección de otro evento de este tipo, en los datos que aún se están analizando, se prevé para los próximos años un importante incremento de detecciones.
 
El hecho de ser capaces de medir esta ondas conlleva la apertura de una nueva ventana de observación, lo que acarrea un mundo de posibilidades de nuevos descubrimientos. Así ha sucedido siempre en física; ahora con el aliciente de que se podría abrir una nueva era de la astronomía.