Hace más de mil millones de años, en una galaxia muy, muy lejana, dos agujeros negros ejecutaron los pasos finales en un paso rápido de pie, concluyendo con un abrazo final tan violento que liberó más energía que la salida combinada de cada estrella en cada galaxia en el universo observable. Sin embargo, a diferencia de la luz de las estrellas, la energía era oscura, transportada por la fuerza invisible de la gravedad. El 14 de septiembre de 2015, a las 5:51 am, hora del Este, un fragmento de esa energía, en forma de "onda gravitacional", llegó a la Tierra, reducida por su vasto tránsito a través del espacio y el tiempo a un mero susurro de su atronador comenzando.
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ComprarHasta donde sabemos, la Tierra ha sido bañada en este tipo de perturbación gravitacional antes. Frecuentemente. La diferencia esta vez es que dos detectores estupendamente precisos, uno en Livingston, Louisiana, y el otro en Hanford, Washington, estaban listos. Cuando la onda gravitacional pasó, hizo cosquillas a los detectores, proporcionando la firma inconfundible de agujeros negros en colisión en el otro lado del universo y marcando el comienzo de un nuevo capítulo en la exploración del cosmos de la humanidad.
Cuando los rumores sobre el descubrimiento comenzaron a circular en enero, puse los ojos en blanco ante lo que claramente era una falsa alarma o una estratagema para provocar un pequeño zumbido. Como un programa de investigación en su quinta década, la búsqueda de ondas gravitacionales se había convertido en el descubrimiento más importante que siempre se cernía en el horizonte. Los físicos se habían resignado a esperar a su Godot gravitacional.
Pero el ingenio humano y la perseverancia han triunfado. Es una de esas victorias que nos dan incluso a aquellos de nosotros que aplauden desde el costado escalofríos.
Aquí está la historia, en pocas palabras.
En noviembre pasado, el mundo celebró el centenario del mayor descubrimiento de Einstein, la teoría general de la relatividad, que reveló un nuevo paradigma para comprender la gravedad. El enfoque de Isaac Newton predice correctamente la atracción gravitacional entre dos objetos, pero no da una idea de cómo algo aquí puede alcanzar el espacio vacío y tirar de algo allí. Einstein pasó una década tratando de determinar cómo se comunica la gravedad, y finalmente llegó a la conclusión de que el espacio y el tiempo forman la mano invisible que hace las órdenes de la gravedad.
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Esta historia es una selección de la edición de abril de la revista Smithsonian
ComprarLa metáfora de la elección, usada en exceso pero sugerente, es pensar en el espacio como un trampolín. Coloque una bola de boliche en el medio del trampolín haciendo que se curve, y se empujará una canica para viajar a lo largo de una trayectoria curva. Del mismo modo, Einstein profesó que cerca de un cuerpo astronómico como el Sol, las curvas del entorno espacio-temporal, lo que explica por qué la Tierra, al igual que el mármol, sigue una trayectoria curva. Para 1919, las observaciones astronómicas confirmaron esta notable visión e hicieron a Einstein Einstein.
Einstein llevó su descubrimiento trascendental más allá. Hasta ese momento, se había centrado en situaciones estáticas: determinando la forma fija de una región del espacio-tiempo que surge de una cantidad dada de materia. Pero Einstein recurrió a situaciones dinámicas: ¿qué pasaría con el tejido del espacio-tiempo si la materia se moviera y se sacudiera? Se dio cuenta de que tanto como los niños que saltan en un trampolín generan ondas en la superficie que se ondulan hacia afuera, materia que se mueve de esta manera y que también generará ondas en el tejido del espacio-tiempo que se ondulan hacia afuera. Y dado que, según la relatividad general, el espacio-tiempo curvo es gravedad, una onda de espacio-tiempo curvada es una onda de gravedad.
Las ondas gravitacionales representan la desviación más significativa de la relatividad general de la gravedad newtoniana. El espacio-tiempo flexible es seguramente un profundo cambio de gravedad, pero en contextos familiares como la atracción gravitacional del Sol o la Tierra, las predicciones de Einstein apenas difieren de las de Newton. Sin embargo, debido a que la gravedad newtoniana no dice nada sobre cómo se transmite la gravedad, la noción de perturbaciones gravitacionales itinerantes no tiene cabida en la teoría de Newton.
El propio Einstein tenía dudas sobre su predicción de las ondas gravitacionales. Cuando se encuentran por primera vez las ecuaciones sutiles de la relatividad general, es difícil separar las matemáticas abstractas de la física medible. Einstein fue el primero en involucrarse en esta pelea, y hubo características que incluso él, la cínura de la relatividad, no pudo entender completamente. Pero en la década de 1960, los científicos que usaban métodos matemáticos más refinados establecieron sin lugar a dudas que las ondas gravitacionales eran una característica distintiva de la teoría general de la relatividad.
Una ilustración de ondas gravitacionales (John Hersey) ¿Cómo, entonces, podría probarse esta predicción icónica? En 1974, utilizando el radiotelescopio de Arecibo, Joseph Taylor y Russell Hulse descubrieron un púlsar binario: dos estrellas de neutrones en órbita cuyo período orbital podía rastrearse con gran precisión. Según la relatividad general, las estrellas en órbita generan una marcha constante de ondas gravitacionales que drenan la energía, lo que hace que las estrellas se acerquen y orbiten más rápidamente. Las observaciones confirmaron esta predicción a una T, proporcionando evidencia, aunque indirecta, de que las ondas gravitacionales son reales. Hulse y Taylor recibieron el Premio Nobel de 1993.
El logro solo hizo que la detección directa de ondas gravitacionales fuera aún más atractiva. Pero la tarea fue desalentadora. Los cálculos muestran que a medida que una onda gravitacional ondula por el espacio, cualquier cosa en su camino se estirará y se apretará alternativamente a lo largo de los ejes perpendiculares a la dirección de movimiento de la onda. Una ola gravitacional que se dirigía directamente hacia los Estados Unidos estiraría y exprimiría alternativamente el espacio entre Nueva York y California, y entre Texas y Dakota del Norte. Al monitorear con precisión tales distancias, deberíamos poder identificar el paso de la onda.
El desafío es que tanto como una onda en un estanque se apaga a medida que se extiende, una onda gravitacional se diluye a medida que viaja desde su fuente. Dado que las colisiones cósmicas importantes suelen ocurrir muy lejos de nosotros (afortunadamente), para cuando las ondas gravitacionales engendran llegan a la Tierra, la cantidad de estiramiento y compresión que causan es pequeña, menos de un diámetro atómico. Detectar tales cambios está a la par de medir la distancia desde la Tierra hasta la estrella más cercana más allá del sistema solar con una precisión mejor que el grosor de una hoja de papel.
El primer intento, iniciado por Joseph Weber de la Universidad de Maryland en la década de 1960, utilizó cilindros de aluminio sólido de varias toneladas, con la esperanza de que resonaran suavemente como diapasones gigantes en respuesta a una onda gravitacional que pasa. A principios de la década de 1970, Weber reclamó el éxito a lo grande. Informó que las ondas gravitacionales sonaban su detector casi a diario. Este logro trascendental inspiró a otros a corroborar las afirmaciones de Weber, pero después de años de intentos, nadie pudo atrapar ni una sola ola.
La tenaz creencia de Weber en sus resultados, mucho después de que la evidencia acumulada sugiriera lo contrario, contribuyó a una perspectiva que ha coloreado el campo durante décadas. A lo largo de los años, muchos científicos creyeron, al igual que Einstein, que incluso si las ondas gravitacionales fueran reales, simplemente serían demasiado débiles para ser detectadas. Aquellos que se dispusieron a encontrarlos estaban haciendo un tonto recado, y aquellos que creían que los reclamos de detección estaban siendo engañados.
En la década de 1970, los pocos que aún tenían el error de la onda gravitacional recurrieron a un esquema de detección más prometedor en el que los láseres se usarían para comparar las longitudes de dos túneles largos idénticos orientados a 90 grados entre sí. Una onda gravitacional que pasa estiraría un túnel mientras exprime el otro, cambiando ligeramente las distancias recorridas por los rayos láser disparados a lo largo de cada uno. Cuando los dos rayos láser se recombinan posteriormente, el patrón resultante que forma la luz es sensible a pequeñas diferencias en la distancia que ha recorrido cada haz. Si pasa una onda gravitacional, incluso la perturbación minúscula que crea dejaría un patrón láser modificado a su paso.
Es una hermosa idea Pero los martillos neumáticos, los camiones ruidosos, las ráfagas de viento o la caída de árboles podrían perturbar tal experimento. Cuando se buscan diferencias de longitud de menos de una billonésima parte de una billonésima parte de un metro, la capacidad de proteger el aparato de cualquier posible agitación ambiental, por pequeña que sea, se vuelve primordial. Con ese requisito aparentemente insuperable, a los detractores se les proporcionó aún más municiones. Atrapar una ola gravitacional haría que Horton escuchara un Who, incluso sobre el estruendo del metro de la ciudad de Nueva York, un simple juego de niños.
Sin embargo, los físicos estadounidenses Kip Thorne y Rainer Weiss, más tarde acompañados por el físico escocés Ronald Drever, soñaron con construir un detector de ondas gravitacionales basado en láser, y pusieron las ruedas en movimiento para hacer realidad ese sueño.
En 2002, después de un par de décadas de investigación y desarrollo y más de una inversión de $ 250 millones de la National Science Foundation, dos maravillas científicas y tecnológicas que conforman LIGO (Observatorio de ondas gravitacionales con interferómetro láser) se desplegaron en Livingston, Louisiana, y Hanford, Washington. Los túneles evacuados de cuatro kilómetros de largo en forma de letra gigante "L" albergarían un rayo láser unas 50, 000 veces más potente que un puntero láser estándar. La luz láser rebotaba de un lado a otro entre los espejos más lisos del mundo, colocados en los extremos opuestos de cada brazo, buscando un pequeño desajuste en el tiempo que toma cada uno para completar el viaje.
Los investigadores esperaron. Y esperé Pero después de ocho años, nada. Decepcionante, sin duda, pero como argumentaron los equipos de investigación, no es sorprendente. Los cálculos habían demostrado que LIGO apenas estaba en el umbral de sensibilidad necesario para detectar ondas gravitacionales. Entonces, en 2010, LIGO se cerró por varias actualizaciones, por un valor de más de $ 200 millones, y en el otoño de 2015, se activó un LIGO mejorado, muchas veces más sensible. Sorprendentemente, menos de dos días después, un escalofrío repentino sacudió el detector en Louisiana, y siete milisegundos más tarde el detector en Washington se movió casi exactamente de la misma manera. El patrón de las delicadas vibraciones coincidía con lo que las simulaciones por computadora predijeron para las ondas gravitacionales que serían producidas por la agonía final de los agujeros negros en órbita que chocan entre sí.
Un amigo mío en el interior, jurado guardar el secreto pero dispuesto a proporcionar una pista no tan sutil, me dijo: "Imagínense que nuestro sueño más salvaje se ha hecho realidad". Pero fue este golpe del premio gordo de ondas gravitacionales eso dio pausa a los investigadores. Fue casi demasiado perfecto.
El aparato LIGO depende de espejos diseñados con precisión y perfectamente limpios. (Matt Heintze / Caltech / MIT / LIGO Lab) Con unos meses de intenso y diligente esfuerzo de investigar cuidadosamente todas las demás explicaciones, por improbables que sean, solo quedó una conclusión en pie. La señal fue real. Un siglo después de que Einstein predijera su existencia, la primera detección directa de ondas gravitacionales fue celebrada por los más de 1, 000 científicos que trabajan en el experimento LIGO. Habían captado el murmullo momentáneo de un tsunami gravitacional desatado hace más de mil millones de años, el vestigio de una fusión oscura en algún lugar del profundo cielo del sur.
El anuncio oficial de prensa, el 11 de febrero, en Washington, DC, fue eléctrico. En mi propia institución, la Universidad de Columbia, tuvimos que trasladar la transmisión en vivo de los procedimientos a uno de los lugares más grandes del campus, y se desarrollaron historias similares en universidades de todo el mundo. Por un breve momento, las ondas gravitacionales superaron el pronóstico presidencial.
La emoción estaba justificada. La historia recordará el descubrimiento como uno de esos pocos puntos de inflexión que cambia el curso de la ciencia. Desde que el primer humano miró hacia el cielo, hemos explorado el universo utilizando ondas de luz. El telescopio mejoró sustancialmente esta capacidad, y con él encontramos el esplendor de nuevos paisajes cósmicos. Durante el siglo XX, ampliamos los tipos de señales de luz que detectamos (infrarrojos, radio, ultravioleta, gamma y rayos X), todas formas de luz pero con longitudes de onda fuera del rango que podemos ver a simple vista. Y con estas nuevas sondas, el paisaje cósmico se enriqueció aún más.
Las ondas gravitacionales son un tipo de sonda cósmica completamente diferente, con el potencial de producir consecuencias aún más dramáticas. La luz puede ser bloqueada. Un material opaco, como una cortina de ventana, puede bloquear la luz visible. Una jaula de metal puede bloquear las ondas de radio. Por el contrario, la gravedad pasa por todo, prácticamente sin cambios.
Y así, con las ondas gravitacionales como nuestra sonda, podremos examinar reinos que están fuera de los límites de la luz, como la caótica lucha del espacio-tiempo cuando chocan dos agujeros negros o tal vez el rugido salvaje del Big Bang, hace 13.800 millones de años. La observación ya confirmó la idea de que los agujeros negros podrían formar pares binarios. Más tentador aún, podemos encontrar un paisaje oscuro poblado por cosas que aún no hemos imaginado.
A medida que una red de detectores en todo el mundo —en Italia, Alemania, pronto Japón y probablemente India— reúna sus datos, con la esperanza de que se unan en el futuro un enorme detector que opere en el espacio, nuestra capacidad de explorar el cosmos dará otro salto gigante. adelante. Lo cual es completamente emocionante. No hay nada más inspirador que nuestra capacidad, en medio de nuestras luchas terrestres siempre presentes, para mirar hacia arriba, maravillarnos y tener el ingenio y la dedicación para ver un poco más lejos.
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