Los científicos han escuchado el aria de la gravedad por primera vez.
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Cuando dos agujeros negros giraron en espiral y se fusionaron, crearon ondas en la tela del cosmos exactamente de la forma que los físicos han predicho durante un siglo: ondas gravitacionales. Presentado hoy durante una serie de conferencias de prensa internacionales, la señal allana el camino para una comprensión completamente nueva del universo.
"Esta es la primera vez que el universo nos habla a través de ondas gravitacionales. Hasta ahora hemos sido sordos", dijo hoy el director del laboratorio LIGO, David Reitze, de la Universidad de Florida, en un evento de prensa en Washington, DC
En la raíz de las ondas gravitacionales está la teoría de la gravedad de Albert Einstein, que dice que cualquier cosa con masa deforma el tejido mismo del espacio-tiempo. Cuando los objetos masivos se mueven, crean distorsiones en el tejido cósmico, generando ondas gravitacionales. Estas ondas se extienden por el universo como ondas de sonido que pulsan en el aire.
La teoría de Einstein predice que el universo está repleto de ondas gravitacionales, pero hasta ahora no habíamos podido detectarlas, en parte porque las ondas son excepcionalmente débiles. Pero incluso antes de que sus instrumentos actualizados se pusieran oficialmente en línea el año pasado, el Observatorio de ondas gravitacionales con interferómetro láser (LIGO) captó una señal clara de la poderosa colisión de dos agujeros negros a 1.300 millones de años luz de distancia.
"Tener una señal de onda gravitacional detectada mientras LIGO aún no está cerca de la sensibilidad de diseño en la primera carrera científica es sorprendente, es asombroso, en el buen sentido", dice Joan Centrella, quien dirigió el Laboratorio de Astrofísica Gravitacional en el Vuelo Espacial Goddard de la NASA. Centro antes de convertirse en subdirector de la División de Ciencia de Astrofísica en Goddard.
Esa emoción se extendió por el observatorio de Livingston, Louisiana, de LIGO, y por el resto del mundo cuando el equipo hizo su anuncio. Casi todo lo que los astrónomos han aprendido sobre el cosmos proviene de diferentes formas de luz, como las ondas de radio y los rayos X visibles. Pero así como las ondas sísmicas pueden revelar estructuras ocultas en el interior de la Tierra, las ondas gravitacionales llevan consigo información sobre las propiedades ocultas del universo que incluso la luz no puede revelar.
"Comenzamos con un trabajo de alto riesgo con una rentabilidad potencial muy alta", dijo Kip Thorne, cofundador de LIGO y físico gravitacional en el Instituto de Tecnología de California, durante el evento de prensa. "Y hoy estamos aquí con un gran triunfo, una forma completamente nueva de observar el universo".
Pistas tempranas
La búsqueda de ondas gravitacionales comenzó hace un siglo, con la publicación de la teoría general de la relatividad de Einstein. A mediados de la década de 1970, los físicos Russell A. Hulse y Joseph H. Taylor, Jr. capturaron evidencia extremadamente convincente de que estas ondas existen. Midieron el tiempo que les tomó a dos densas estrellas de neutrones, los núcleos aplastados de estrellas que alguna vez fueron masivas, orbitar entre sí.
Según el trabajo de Einstein, sabían que estas estrellas deberían estar irradiando energía gravitacional a medida que giraban, y que la energía perdida debería hacer que se dispararan unas hacia otras. Después de estudiar las dos estrellas durante los próximos años, vieron que la órbita disminuyó exactamente la cantidad predicha por la relatividad general.
Si bien ese hallazgo le valió al dúo el premio Nobel de física de 1993, la mayoría de los físicos no lo llamarían una detección directa de ondas gravitacionales.
En 2001, LIGO comenzó a operar en dos ubicaciones separadas 1, 875 millas, una en Livingston, Louisiana y la otra en Hanford, Washington. Unos años más tarde, el telescopio europeo de ondas gravitacionales Virgo también entró en línea. Ambos operaron hasta 2010 y 2011, respectivamente, antes de desconectarse para las actualizaciones.
Si bien los científicos esperaban que estos observatorios iniciales capturaran ondas gravitacionales, sabían que era una posibilidad remota. Estas ondas son señales muy débiles, y los instrumentos no eran lo suficientemente sensibles como para escuchar sus susurros. Pero las ejecuciones iniciales sirven como pruebas de la tecnología para los instrumentos de próxima generación.
Virgo todavía se está actualizando, pero el equipo de LIGO completó su trabajo en ambos detectores en 2015. Ahora llamados Advanced LIGO, los observatorios de Louisiana y Washington escucharon las ondas gravitacionales durante la primera carrera de observación científica entre el 18 de septiembre de 2015 y el 12 de enero. 2016. La señal anunciada hoy se recogió justo antes de la primera ejecución oficial, ya que el equipo estaba ejecutando pruebas operativas de los detectores.
Precisión láser
La detección de una ola a su paso por la Tierra requirió mucha ingeniería inteligente, potencia informática y más de 1, 000 científicos trabajando en todo el mundo.
Dentro de cada observatorio LIGO en forma de L, un láser se encuentra en el punto de encuentro de dos tubos perpendiculares. El láser pasa a través de un instrumento que divide la luz, de modo que dos haces recorren aproximadamente 2.5 millas por cada tubo. Los espejos en los extremos de los tubos reflejan la luz hacia su fuente, donde espera un detector.
Por lo general, no llega luz al detector. Pero cuando pasa una onda gravitacional, debe estirarse y aplastarse el espacio-tiempo en un patrón predecible, cambiando efectivamente las longitudes de los tubos en una pequeña cantidad, del orden de una milésima parte del diámetro de un protón. Entonces, algo de luz aterrizará en el detector.
Para dar cuenta del cambio increíblemente pequeño, los espejos del instrumento están unidos a sistemas complejos que los aíslan de la mayoría de las vibraciones. Los científicos de LIGO también tienen programas informáticos especiales que pueden filtrar a través de varios tipos de ruido de fondo, como temblores ocasionales, y determinar si alguna señal entrante coincide con las posibles fuentes astronómicas calculadas utilizando la relatividad general.
Los sitios de Louisiana y Washington trabajan juntos para verificar un avistamiento. "No creemos que veamos una onda gravitacional a menos que ambos detectores vean la misma señal dentro de la cantidad de tiempo que tomaría la onda gravitacional para viajar entre los dos sitios", dice el miembro del equipo LIGO Amber Stuver de la Universidad Estatal de Louisiana. En este caso, la onda pasó a través de la Tierra y golpeó a los dos detectores a solo siete milisegundos de distancia.
Una vez que los sitios de Louisiana y Washington detectan una posible sintonía gravitacional, los científicos se ponen a trabajar en el análisis. LIGO captó esta señal el 14 de septiembre, pero solo ahora puede decir con gran certeza que vieron ondas gravitacionales.
"Nos tomó meses de cuidadosas comprobaciones, comprobaciones, análisis, trabajar con cada dato para asegurarnos del avistamiento", dijo Reitze durante el evento de DC. "Y nos hemos convencido de que ese es el caso". Los resultados aparecen esta semana en Physical Review Letters .
Una vista aérea del detector LIGO en Livingston, Louisiana. (Laboratorio LIGO) La señal de onda gravitacional que los astrónomos sacaron de las observaciones más recientes coincidió con lo que esperaban de dos agujeros negros en espiral uno hacia el otro. El baile envía ondas gravitacionales a una frecuencia y fuerza predecibles, dependiendo de qué tan separados estén los objetos y de sus masas.
A medida que comienzan a bailar más cerca, las longitudes de onda de las ondas gravitacionales se reducen y su canción alcanza tonos más altos. Cuando los agujeros negros se cierran para el abrazo final, la señal de onda gravitacional tiene una nota alta final, o "chirrido", como lo llaman los astrónomos.
La señal de septiembre se alinea maravillosamente con lo que el equipo esperaría de dos agujeros negros con masas iguales a aproximadamente 29 y 36 veces la masa del sol. Esos agujeros negros se unieron para crear un nuevo agujero negro 62 veces la masa del sol, irradiando 3 masas solares de energía gravitacional.
Esperar lo inesperado
Con esta detección inicial, los astrónomos esperan que Advanced LIGO continúe capturando ondas gravitacionales y comience a construir datos para todo tipo de estudios científicos, desde descubrir cómo funcionan las supernovas hasta aprender sobre los primeros momentos del universo. Si bien ningún otro telescopio astronómico vio ninguna señal de esta colisión de agujeros negros, algunas de las otras fuentes que Advanced LIGO está buscando deberían tener contrapartes visibles para los telescopios que capturan la luz.
Esto parece especialmente prometedor teniendo en cuenta que Advanced LIGO aún no tiene toda su sensibilidad. Eso vendrá en los próximos años, dice Stuver.
Cada una de estas señales dará a los astrónomos lo que nunca antes habían tenido: una forma de investigar casos extremos de gravedad y los movimientos de objetos invisibles. Aún más emocionante, los astrónomos saben que con cada avance tecnológico, el universo tiene una forma de sorprendernos.
"Cada vez que hemos visto una nueva forma y un tipo diferente de luz, descubrimos algo que no esperábamos encontrar", dice Stuver. "Y es esa cosa inesperada la que revoluciona nuestra comprensión del universo". Después de que los astrónomos pusieron antenas de radio en el cielo, descubrieron un tipo inesperado de estrella de neutrones llamada púlsar. Y, tal vez poéticamente, era una estrella de púlsar y neutrones que hacía una danza orbital que Hulse y Taylor estudiaron en la década de 1970.
Ahora, con el comienzo de la astronomía de ondas gravitacionales, los científicos tienen una nueva herramienta para tomar muestras del cosmos. Y por lo que parece, nos espera una música hermosa.
Nota del editor: se ha corregido la afiliación de Joan Centrella.
