El anuncio de la detección de ondas gravitacionales por la colaboración LIGO supone un hito para la ciencia básica y un salto cualitativo en nuestra capacidad de explorar el universo. Para situar la importancia del resultado en perspectiva histórica hay que recordar que las ondas gravitacionales son una predicción genuina de la teoría de la Relatividad General, formulada hace 100 años por Albert Einstein. Y se trata de una predicción que ningún experimento había conseguido verificar hasta ahora, a pesar de esfuerzos continuados durante decenios. Pero ¿qué son las ondas gravitacionales?
Según la Teoría de la Relatividad el espacio y el tiempo no son magnitudes inmutables, indiferentes a lo que sucede en su seno. El espacio-tiempo, como un todo, se parece más a un trozo de goma, que puede estirarse, encogerse y retorcerse. Y ese cambio de su geometría está producido por la materia y energía que contiene. Por ejemplo, una masa grande, como el Sol, hace que el espacio-tiempo se curve a su alrededor. La consecuencia es que los objetos que se aproximan al Sol, aceleran y curvan sus trayectorias. Este efecto es ni más ni menos que lo que solemos llamar la fuerza de la gravedad. Contemplada con los ojos de la relatividad, la gravedad es una manifestación de la geometría del espacio-tiempo. Supongamos ahora que comprimimos violentamente el espacio-tiempo en un punto. Las ecuaciones de la relatividad nos dicen que esa compresión ha de propagarse como una onda a través del espacio. Y eso son las ondas gravitacionales: perturbaciones del espacio-tiempo que se propagan. Es análogo a lo que sucede con el sonido. Cuando comprimimos violentamente el aire en un punto (por ejemplo, al dar una palmada), esa compresión se propaga en todas las direcciones, constituyendo las familiares ondas sonoras, que viajan a la velocidad del sonido. La diferencia es que en las ondas gravitacionales lo que se propaga no es una compresión del aire, sino, literalmente, una compresión del espacio (más exactamente del espacio-tiempo). Y su velocidad de propagación coincide con la velocidad de la luz.
Cualquier alteración del campo gravitatorio produce ondas gravitacionales, incluso nosotros mismos cuando damos un salto o nos agachamos, pero normalmente son extremadamente débiles. Una onda gravitacional detectable ha de provenir de un suceso mucho más violento, como el choque de dos agujeros negros. Y esto es precisamente lo que se ha detectado: la colisión y fusión de dos agujeros negros, con masas aproximadamente 30 veces mayores que la del Sol. La colisión, que duró solo un cuarto de segundo, se produjo hace 1300 millones de años en una galaxia lejana, y es ahora cuando nos llega la onda gravitacional producida por aquel suceso formidable. Naturalmente, la intensísima onda inicial ha ido perdiendo intensidad a lo largo de su dilatado viaje, igual que las ondas producidas en la superficie del agua son cada vez más tenues a medida que se extienden. ¿Cómo se ha logrado detectar?
Recordemos que una onda gravitacional propaga compresiones y estiramientos sucesivos del espacio. En consecuencia, al atravesar un objeto cualquiera, produce fluctuaciones en su tamaño. Por tanto, para detectar una onda de este tipo lo mejor es estudiar las (diminutas) fluctuaciones de tamaño de un objeto estable. Esto es lo que ha conseguido el experimento LIGO, midiendo la longitud de dos tubos de 4 Km perpendiculares entre sí, situados en el estado de Louisiana. Los cambios de longitud registrados han sido extraordinariamente pequeños, equivalentes a una milésima del diámetro de un protón. Esta precisión extraordinaria se ha logrado gracias a un interferómetro laser de altísima resolución, y aislando el sistema de forma muy cuidadosa. Naturalmente, los tubos pueden experimentar pequeños cambios de longitud debidos a causas mas “mundanas”, como pequeños movimientos sísmicos. Pero la señal puede limpiarse de este “ruido” indeseable gracias a una segunda instalación similar, instalada a 3000 Km de distancia en el estado de Washington. Si el cambio de tamaño es producido por una onda gravitacional ha de dejar idéntico rastro en las dos instalaciones, con un pequeño retraso (en este caso de siete milisegundos) debido a que la onda alcanza primero una de ellas. Además, la señal detectada coincide de forma muy convincente con lo que se esperaría de una colisión de agujeros negros: una onda de frecuencia e intensidad creciente (generada por el giro vertiginoso de un agujero negro alrededor del otro), que finaliza en un intenso pulso final (producido por la fusión de los dos agujeros en uno solo). Como hemos dicho, el proceso completo tarda un cuarto de segundo. Puede comprenderse que para realizar una identificación exitosa de la señal es esencial disponer de simulaciones teóricas previas de qué es lo que se espera detectar. Y hay que decir que el grupo de relatividad y gravitación de la Universidad de las Islas Baleares, dirigido por la profesora Alicia Sintes, ha jugado un papel importante en esta tarea.
¿Por qué es tan importante este hallazgo? Aparte de suponer una confirmación extraordinaria de la RG, este experimento nos abre un nuevo medio por el que podemos explorar el universo.
En nuestra vida cotidiana recibimos información de nuestro entorno gracias a nuestros sentidos, especialmente la vista y el oído, que son instrumentos sensibles a las ondas luminosas y las sonoras. Del mismo modo, casi todo lo que sabemos del universo es gracias a la luz que nos llega de él en distintas longitudes de onda: luz visible, ondas de radio, rayos X, etc., que detectamos con telescopios, radio-telescopios y otros instrumentos. Y ahora disponemos de un instrumento que es capaz de “escuchar” el universo en un registro totalmente diferente: las ondas gravitacionales. Es como si tuviéramos un nuevo sentido. Y esperamos que, gracias a él, en el futuro obtengamos información nueva y valiosa sobre el universo. De hecho, ese futuro ya ha comenzado. Cuando Galileo perfeccionó el telescopio y lo apuntó hacia los planetas descubrió hechos nuevos y fascinantes, por ejemplo que Júpiter tenía lunas y Saturno anillos. En este caso, la primera medida de ondas gravitacionales nos ha informado de un hecho extraordinario que hubiera sido imposible detectar de otra forma: la colisión de dos agujeros negros, algo que jamás se había registrado. En el futuro, seguiremos recibiendo noticias fascinantes del universo y lo conoceremos mejor.