Ya lo dijo Albert Einstein: si un objeto denso se mueve violentamente, el espacio tiembla. Según la teoría de la Relatividad General, la energía liberada por una perturbación cósmica viaja alejándose de ella a la velocidad de la luz en forma de ondas gravitatorias, y éstas distorsionan la región del Universo que atraviesen en su camino. Alicia M. Sintes, profesora de Física Teórica en la Universidad de las Islas Baleares, espera detectar pronto ese temblor. Su optimismo se basa en las posibilidades de los detectores de ondas gravitatorias de segunda y, sobre todo, de tercera generación. Así lo expuso en la XXX edición de los “Encuentros Relativistas Españoles 2007”, organizados por el Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) en el Puerto de la Cruz (Tenerife), del 10 al 14 de septiembre.
Cuando dos cuerpos de gran masa se encuentran próximos, las leyes de la Gravitación y del Movimiento de Newton fallan. Mercurio, por ejemplo, presenta ciertas irregularidades en su movimiento orbital supuestamente debidas a la cercanía del Sol. La teoría de la Relatividad General, donde el espacio y el tiempo se unen para formar el espacio-tiempo, predice esa irregularidad o avance del perihelio (punto de la órbita de mayor acercamiento al Sol). Einstein demostró que el avance del perihelio de Mercurio, fenómeno que había sido observado con anterioridad, era una consecuencia natural de la curvatura del espacio-tiempoalrededor de nuestra estrella. La Tierra orbita en torno al Sol sencillamente porque sigue el camino más fácil: una línea recta en el espacio-tiempoque el Sol ha curvado en torno a sí mismo.
Pero, además, Einstein predijo la existencia de ondas gravitatorias como consecuencia de las deformaciones de ese espacio-tiempo. “Estas ondas –explica Alicia Sintes-, producidas por cuerpos de gran masa en aceleración, viajan a la velocidad de la luz y llevan consigo información muy encriptada de lo que las ha creado, lo que generalmente se llama ‘la sinfonía del Universo’”. El descubrimiento del púlsar de Hulse-Taylor proporcionó, pese a estar a 15.000 años luz de distancia, un laboratorio ideal para poner a prueba esta predicción, hasta entonces indemostrable. “Si bien aún no se han detectado ondas gravitatorias de forma directa –advierte Sintes-, la evidencia experimental de que tales ondas existen acorde con la Teoría de la Relatividad General se produjo tras el descubrimiento de este primer púlsar binario”. Sus descubridores, como reconocimiento, recibieron el Premio Nobel de Física en 1993.
Púlsares binarios
Los radioastrónomos estadounidenses Joseph Taylor y Russell Hulse detectaron en 1974 las primeras señales de un púlsar binario -PSR 1913+16-, formado por dos estrellas de neutrones que orbitaban mutuamente. En este caso, las ondas que se propagaban a la velocidad de la luz resultaban del movimiento orbital del sistema binario de igual modo que las ondas electromagnéticas son emitidas por partículas cargadas eléctricamente y sometidas a una aceleración. De acuerdo con la teoría de la Relatividad General, las ondas gravitatorias roban cierta cantidad de energía del sistema binario, disminuyendo así la energía orbital del sistema. Esta disminución reduce el tamaño de la órbita y, por consiguiente, el tiempo necesario para que el púlsar describa una revolución en torno a su compañera. “Taylor y Hulse -señala Alicia Sintes- probaron, tras observar este sistema binario durante muchos años, que su frecuencia orbital iba variando y que debido a ello perdía energía, de manera que iban rotando más rápido al tiempo que se acercaban. Y se dieron cuenta de que la forma con que perdía energía coincidía con la predicción de la teoría la Relatividad General en el caso de que esta energía fuese generada o emitida en forma de radiación gravitatoria.”
Según los cálculos, en 300 años las dos estrellas se destruirán o se fundirán en una sola. Los conocidos efectos de dilatación del tiempo (debido a la velocidad) y de corrimiento gravitatorio hacia el rojo (debido al alejamiento) se combinan en este caso para adelantar o retrasar el ritmo del reloj del púlsaren hasta 4 milésimas de segundos en diferentes partes de la órbita. La contracción y dilatación del espacio-tiempocausada por el paso de una onda gravitatoria produce variaciones en los tiempos de llegada de los pulsos: cuanto mayor es la intensidad de la onda gravitatoria, mayor será su efecto en la señal del púlsar.
Catástrofes cósmicas
“Las ondas gravitatorias –explica Alicia Sintes- llevan una cantidad enorme de energía, pero interactúan muy débilmente con la materia. Aunque nos están atravesando, no las detectamos. De ahí que haya más posibilidades de medir aquellas ondas que procedan de elementos catastróficos, de grandes cataclismos en el Universo; por ejemplo, de una supernova, de un colapso en un sistema binario, de estrellas de neutrones en rotación o, incluso, del universo primitivo.”
Y añade: “Como las ondas gravitatorias interactúan muy débilmente con la materia, incluso podemos remitirnos a momentos muy cercanos al Big Bang, mucho más que con ondas electromagnéticas, porque no han sido ‘tapadas’ de ninguna forma. De ahí su gracia y, también, su dificultad. Todas las ondas nos llegan, pero la sensibilidad que se necesita para detectarlas supone construir unos detectores para los que se requiere una tecnología muy avanzada.”
Por tanto, para esta investigadora, todo depende del progreso técnico: “Estamos hablando de tecnología, no de teoría. En principio, lo que se necesita es construir detectores avanzados -hacerlos bajo tierra, mejorar las suspensiones, utilizar técnicas criogénicas…- hasta llegar a los límites en los que ya no se pueda bajar más la sensibilidad. Sin embargo, también tenemos una teoría que acompaña. Los mismos experimentos nos servirán para contrastar las medidas obtenidas con esta teoría y con otras teorías”.
Detectores terrestres
Los detectores de ondas gravitatorias ya tienen historia. Y aunque hay dos tipos de proyectos -terrestres y espaciales-, hace tiempo que están en funcionamiento detectores para medir la radiación gravitatoria directamente desde la Tierra. Los primeros intentos fueron llevados a cabo por el físico Joseph Weber, de la Universidad de Maryland (EEUU, en los años sesenta. Su detector resonante de aluminio fue la base para un tipo de instrumentación posterior que debería medir las oscilaciones inducidas por las supuestas ondas gravitatorias en barras de aluminio de varios metros de largo, de varias toneladas de peso y enfriadas a temperaturas por debajo de 1 kelvin. De hecho, como explica Alicia Sintes, en ellos se basan algunos detectores terrestres que aún están operando, “aunque con tecnología antigua y ya en decadencia”. Son los casos de ALLEGRO, en Luisiana (EEUU), EXPLORER, en Ginebra (Suiza), y los italianos AURIGA y NAUTILUS, en Lengaro y Roma, respectivamente.
En la actualidad, sin embargo, se emplean grandes interferómetros láser, que pueden detectar cambios de posición relativos entre masas situadas en direcciones perpendiculares. Alicia Sintes hizo una detallada exposición de todos ellos en su intervención durante los Encuentros Relativistas Españoles.
“En EEUU –comenta- se han construido tres detectores, cada uno con brazos de 2 a 4 km de longitud, como parte del proyecto LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory)”. Fueron Kip S. Thorne y Ronal Drever, del Instituto de Tecnología de California (Caltech), y Rainer Weiss, del Instituto de Tecnología de Massachussets (MIT), quienes propusieron en 1984 la construcción de un observatorio de ondas gravitatorias por medio de la interferometría láser. En este proyecto, que costó lo suyo, participa la Universidad de las Islas Baleares. Precisamente, Alicia Sintes dedica gran parte de su tiempo al análisis de datos de ondas gravitatorias, desarrollando estrategias y software dentro de la colaboración científica LIGO para buscar señales gravitatorias continuas.
“En Europa –continúa esta investigadora- existen varios proyectos, como el interferométro franco-italiano VIRGO, que toma su nombre del cúmulo de galaxias donde espera detectar ondas gravitatorias. Este detector, con brazos de 3 km, se ha construido cerca de Pisa, en el norte de Italia. Por su parte, científicos alemanes y británicos han colaborado en la construcción del GEO 600, un interferómetro más corto, con brazos de 600 m y un diseño tecnológico avanzado, situado cerca de Hannover, en el noroeste de Alemania. También en este caso participa la Universidad de las Islas Baleares.”
“Por último –añade-, en Japón, cerca de Tokio, se encuentra el interferómetro TAMA 300, un detector con brazos algo más cortos, de sólo 300 m de longitud, que constituye un prototipo de otros detectores más avanzados, de segunda generación, de escala kilométrica, que incorporarán técnicas criogénicas, serán bajo tierra, etc.”. Su objetivo es la detección de ondas gravitatorias que puedan producirse por casualidad dentro de nuestro Grupo Local de galaxias.
La tercera generación
Los detectores actuales de ondas gravitatorias, como LIGO, GEO y VIRGO –de primera generación-, se complementarán con los futuros proyectos tanto terrestres como espaciales.
Sintes se muestra muy optimista con respecto a la futura detección, que será posible sin duda ya con los detectores de la segunda generación, versiones mejoradas de la primera, como LIGO y VIRGO “avanzados”, y que se multiplicará con los de la tercera generación, entre ellos los proyectos terrestres ET (Einstein Telescope) y LCGT (Large Cryogenic Gravitational Telescope), junto con los espaciales BBO (Big Bang Observatory) y LISA (Laser Interferometer Space Antenna).
“Este último proyecto –explica Sintes- es una misión conjunta que la NASA y la ESA tienen previsto lanzar en 2015. Consistirá en enviar al espacio tres satélites artificiales libres de rozamiento y separados 5 millones de kilómetros. Estarán situados en órbitas suficientemente altas para no estar sometidos a los efectos de la atmósfera terrestre y observarán ondas gravitatorias en una banda de frecuencia totalmente diferente a la terrestre. Y es que el problema de los detectores terrestres reside en que “al estar sobre la Tierra, cualquier fenómeno en nuestro planeta -los océanos, el manto terrestre…- produce un ruido que, aunque los detectores se diseñen para tenerlos en cuenta, no pueden eliminarlo. Debido a los efectos de fluctuaciones gravitatorias locales, los detectores de ondas gravitatorias terrestres sólo pueden buscar señales por encima de un hertzio y es totalmente imposible hacer medidas en la Tierra por debajo de ese valor. La única solución, por tanto, es irse al espacio. Y si se va a más baja frecuencia, se podrán observar fenómenos muy interesantes, como el colapso de agujeros negros supermasivos o, incluso, la aparición del propio Big Bang.”
Sobre los resultados más relevantes obtenidos hasta la fecha, Sintes comenta que “si bien aún no se ha conseguido la detección directa –aunque es posible, es estadísticamente improbable con los detectores de primera generación-, sí se han empezado a poner cuotas relevantes, en la amplitud y en la emisión de energía, que permiten confrontar con los modelos teóricos.” Su pronóstico optimista con respecto a la detección lo condiciona a que “la tecnología avance como está previsto y a que no haya recortes presupuestarios”. Así, Advanced LIGO y Advanced VIRGO, que empezarán a operar en 2014, “podrían en un año tener una efectividad razonable y ver algo”. Y, por supuesto, las buenas perspectivas también descansan en LISA, cuyo lanzamiento está previsto para 2018, aunque podría aplazarse. En este caso, “las posibilidades de detección se multiplicarán”.
Alicia Sintes no duda del impacto que sobre la astrofísica, la cosmología y la física fundamental tendrá la detección directa de ondas gravitatorias, unas consecuencias que no se limitarán a la validación de la Teoría de la Relatividad General. “Será toda una revolución”. Y advierte de que, si bien en España hay muy pocos grupos relacionados con este campo de investigación –de hecho, los que se dedican a él son más teóricos, mientras que en la vertiente experimental sólo hay dos grupos, el de las Islas Baleares, vinculado a LIGO y a GEO, y el de Barcelona, que participa en el proyecto espacial LISA Pathfinder-, “seguro que, desde que haya una detección, todos los grupos que existen en este momento, tanto radioastrónomos u otros especialistas, tendrán su propio subgrupo interesado en este tipo de ondas.” Es más, añade, “será muy importante la colaboración con centros como el Instituto de Astrofísica de Canarias y la operación del Gran Telescopio CANARIAS, porque incluso ahora muchas de las observaciones que realizamos están incentivadas por otras observaciones que se hacen. Medir a varias bandasserá necesario y muy relevante”.
En cualquier caso, si una evidencia indirecta de la existencia de las ondas gravitatorias se recompensó con un Premio Nobel, ¿qué premio no merecerá la detección directa?
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