Ondas gravitacionales y esas cosas raras que vienen del espacio exterior

Imagen: NASA

Seguramente usted ya sabe que el Premio Nobel de Física 2017 le fue entregado a Rainer Weiss, Barry Barish y Kip Thorne, que son parte del equipo científico que detectó y midió con precisión algo llamado «ondas gravitacionales» que venían del espacio exterior, luego de viajar millones de años luz.

¿Y de qué trata esto? ¿Por qué siguen descubriendo y descubriendo cosas? ¿No se cansan de andar hurgueteando en los misterios cósmicos?

Pues no.

A estas alturas, deberíamos inventar un concepto nuevo para el momento histórico que estamos viviendo. Llamarle «era de los descubrimientos» es insuficiente; «era moderna» es flojo y corto de vista (y nos remite más a la película de Chaplin); «era digital» suena a columna de opinión en ese diario que miente; y cualquier cosa que comience por «post» es insultante.

Estamos viviendo en una época donde TODAS LAS SEMANAS se descubre algo nuevo en ciencia. CADA MES se reescribe algún elemento relevante de los libros. Y al menos una vez por año DESCUBRIMOS UN NUEVO CAMPO de investigación.

¿Quiere un ejemplo?

Hablemos de las ondas gravitacionales. Con esas custiones (?) alucinaba un niño, como usted y como yo, que en su adultez logró desentrañar algunos de los misterios fundamentales de la física. Ese niño era el mismísimo Albert Einstein (esta vez es cierto, ah).

En 1916, el ya bigotón Einstein revolucionó el mundo con su concepción de un universo en constante tira y afloja entre la cantidad de materia y de energía que existe en algún lugar del espacio y del tiempo (espacio-tiempo para los más siúticos) y la forma en que este mismo espacio-tiempo se curva y deforma. Las ecuaciones de Einstein (desarrolladas con la ayuda invaluable de la espectacular Emmy Noether, #crá de la geometría diferencial y monstruo de las matemáticas) representan este juego constante: el espacio-tiempo se curva y deforma por la cantidad de energía y materia que existe, y esta energía-materia (¿vio? También nos gusta la siutiquería) se mueve y evoluciona en un espacio-tiempo curvado.

¿Suena algo confuso? Pues le damos la bienvenida a nuestro universo.

Esta materia es un asunto de gravedad

La fuerza de gravedad es, tal como lo dice el nombre, una fuerza que produce la materia con masa: donde haya materia con masa (y sí, hay materia sin masa, como los fotones), hay gravedad. Y mientras más materia se agrupa, más fuerza de gravedad ejerce.

Las cosas masivas atraen a otras cosas masivas. De hecho, cuando usted camina por la calle atrae (levemente) a los árboles, al edificio de allí al lado, o a las moscas (si no se bañó y atrae a un par de moscas, puede justificar que no es el olor, sino la gravedad). Claro, la atracción que ejerce su cuerpo es muy poca, porque aunque usted fuera un luchador de sumo, tiene muy poca masa. De hecho, incluso un cuerpo tan grande como Deimos, una de las lunas de Marte (que tiene alrededor de 12 km de diámetro), tiene tan poca masa que usted podría escapar de su fuerza gravitatoria andando en bicicleta. Piénselo cuando quiera comenzar alguna dieta: su masa está bien porque no atraería ni a un mosquito

Pero un cuerpo con suficiente masa (como una estrella) puede atraer planetas para que lo orbiten... Y hasta podría atraer a otra estrella.

Otra gracia de la gravedad es que viaja a la velocidad de la luz. Es decir, sus efectos tienen una velocidad, no son instantáneos: si alguien se robara nuestro Sol, los efectos por la ausencia de su gravedad se percibirían en la Tierra 8 minutos más tarde (o sea, usted alcanzaría demás a leer este post antes de percibir que se robaron el Sol).

Y como si fuera poco, la gravedad curva el tiempo y el espacio. Mientras mayor sea la masa (y, por lo tanto, la gravedad) de un cuerpo, más afecta el tiempo y el espacio a su alrededor. Eso significa que, literalmente, el tiempo se mueve más lento cuando más cerca está de un cuerpo de gran masa.

Es decir, si usted tiene dos relojes perfectamente sincronizados, se lleva uno muy cerca de una estrella y otro muy lejos, deja pasar un tiempo y luego los junta de nuevo, se dará cuenta de que el reloj que estaba cerca de la estrella estará «atrasado». Esto ocurre porque la curvatura del espacio es más extrema en ese lugar. Interstellar nos mostró eso, aunque se fueron al porcino con la escala de dilatación del tiempo.

Si también se le vino a la mente esta escena, usted tuvo una infancia feliz.

En nuestro universo observable hay objetos que tienen tienen tanta masa que ni la luz logra escapar de la fuerza gravitatoria que producen, curvando y deformando el espacio-tiempo de manera brutal. A estos objetos se les conoce como agujeros negros, nombre acuñado por John A. Wheeler, y son especialmente importantes para entender qué demonios son las ondas gravitacionales, así es que volveremos a ellos un poco más adelante.

Black Jack de ceros

Volvamos a 1916, el año de la primera transfusión de sangre exitosa, con la Primera Guerra Mundial a toda trinchera y el compañero Volodia Teitelboim saliendo de la panza de su madre (!). Ese año, Einstein determinó que una perturbación del campo gravitatorio en un lugar del espacio-tiempo se propagaría a través de este como si fuesen ondas en la superficie de un lago plácido. Al principio, ni él mismo se lo creía, muy en el estilo del rey del metro cuadrado [¡No tengo por qué estar de acuerdo con lo que pienso!]. Pero luego de conversaciones con Willem de Sitter y Edwin Schrödinger (que no es célebre solo por su gato), se convenció de que sus ecuaciones podían tener una solución que oscilaba en el espacio y el tiempo, reordenando la gravedad a medida que avanzaban sin mediar planetas, galaxias o estrellas. Algo así como los furiosos ciclistas, pero con mayor capacidad de alumbramiento.

Las ondas gravitacionales que predicen las ecuaciones de Einstein se propagan a la velocidad de la luz (sus buenos 300 mil km/s) y su amplitud de oscilación depende de la cantidad de energía y masa que la genera. A medida que se propagan, su amplitud se hace cada vez más pequeña, tal como lo hace la onda superficial de agua generada por una piedra en el lago mencionado anteriormente. Pero, a diferencia de las ondas superficiales que se ven en el agua, las ondas gravitacionales deforman el espacio y el tiempo, de la misma forma como lo hacen las mareas. Por lo tanto, estas deformaciones podrían ser, teóricamente, detectadas y medidas.

Bueno, antes de medir algo, se le tiene que ocurrir la idea de medir. Medir ondas gravitacionales sonaba, desde el tiempo del joven Einstein, difícil. Difícil por lo que se tiene que medir y por los órdenes de magnitud de lo que se mide. ¿Qué se mide? La deformación del espacio-tiempo a medida que una onda gravitacional se propaga a través de éste (algo que ya suena a lenguaje de los Halcones Galácticos).

Ahora viene lo complicado: ¿cuánto se deforma el espacio-tiempo por el paso de una onda gravitacional? La respuesta es que depende del evento que genera la onda. Este puede ser muy débil o extraordinariamente potente (piense en la energía necesaria para prender todas las estrellas del universo observable juntas durante un segundo). El problema es que la amplitud de una onda gravitacional se hace cada vez más pequeña a medida que se propaga, pudiendo ser extremadamente pequeña si la distancia que recorre la onda desde su fuente hasta nuestro vecindario es sideral.

¿Cuán pequeña? Si uno piensa que una onda gravitacional deforma el espacio-tiempo, la deformación medida por un evento de magnitudes cósmicas —piense en la colisión de dos agujeros negros 20 veces más masivos que nuestro Sol— puede ser muy pequeña.

Las ondas gravitacionales son deformaciones en el espacio-tiempo que VIENEN DEL ESPACIO EXTERIOR.

Kip Thorne, físico y cosmólogo estadounidense estimó cuán grande debería ser esa deformación en el caso de un evento tan ridículamente grande como la colisión de esos dos agujeros negros mencionados. Luego de algunos cálculos sencillos (?) encontró que la deformación que experimentaría una zona de largo L del espacio-tiempo por donde pasa una onda gravitacional sería $10^{-21}$ veces ese largo. 21 ceros seguidos de un 1.

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Ahora, ¿cómo medimos algo tan pequeño?

«¿Eso es pequeño? bitch, please» dijo Lessly, el electrón engreído.

Estirando el chicle con láser

Todo suena mejor con láseres (incluida las espadas: SIONO). Ahora, póngale la palabra «interferometría» antes y dígame si no suena a millennial (nos ofendería si eso le ofende).

¿Qué es un láser? Es un generador de luz amplificada por emisión estimulada de radiación, pero eso es para otro post (otra del amigo bigotón, ah). Lo que sí nos importa es que un láser genera luz de una longitud de onda definida y muy focalizada. Así que podemos usar esta idea para medir distancias con una precisión ridícula. Para eso recordemos (?) que, típicamente, la longitud de onda de un láser de luz visible (como la del clásico puntero láser que les enchufarán a los jugadores del fútbol circular) es del orden de 400 a 600 nanómetros, sabiendo que un nanómetro es $10^{-9}$ metros.

Ahora, imagínese que la luz generada por un láser la dividimos en dos partes: una parte en una dirección y otra parte en otra perpendicular a la primera. Elijamos que estos caminos ópticos sean ortogonales para hacer la cosa más sencilla. Hagamos que la luz que enviamos por cada uno de estos caminos ópticos se refleje en un espejo, de tal manera que la luz vuelva por el mismo camino pero en la dirección opuesta hacia la fuente de la luz del láser. Ahora tomaremos ambas luces y las sumaremos en un detector de esta luz. La intensidad de esta luz dependerá de la diferencia de camino recorrido entre ambas partes de la luz láser inicial. Este tipo de interferómetro (la maquinita que hace interferir constructivamente o destructivamente los haces de luz láser) se llama interferómetro de Michelson y Morley, quienes midieron que la velocidad de luz es constante (y es por ello que les dieron el Premio Nobel en 1907).

¿Por qué esto le debería importar a la hora de medir esos 21 ceros seguidos de un 1 de la deformación de una onda gravitacional? Rainer Weiss le explicará el porqué.

Weiss, físico experimental experto en interferometría láser, se dedicó desde la década de 1970 a construir y generar interferómetros muy estables. En la colaboración LIGO (Large Interferometer Gravitational Wave Observatory), Weiss se fue al chancho: los brazos de su interferómetro de Michelson y Morley miden 4 kilómetros cada uno (o sea, más del doble del tamaño de un Destructor Estelar Clase I).

El LIGO es tan grande que ni siquiera cabría en el armatoste que aparece al principio de Una nueva esperanza.

Con esa distancia, controlando precisamente la distancia entre los espejos y el detector, evitando y filtrando las fluctuaciones térmicas de todo el sistema, LIGO logró llegar a la sensibilidad necesaria para poder observar ondas gravitacionales como las estimadas por Thorne. Con esa precisión, los dos observatorios en Estados Unidos de LIGO, uno en Livinsgton y otro en Hanford, la colaboración logró medir el 5 de diciembre de 2014 la colisión de dos agujeros negros, mostrando que la última deducción de Einstein sobre su Teoría de la Relatividad General era correcta. Por ello, el Premio Nobel de Física 2017 le fue entregado a Rainer Weiss, Barry Barish y Kip Thorne.

LIGO Livingston. Imagen: Caltech/MIT/LIGO Lab

Ahora ya sabe, la próxima vez que necesite entender las ondas gravitacionales, puede preguntarle a los ganadores del Nobel o, en el peor de los casos, a nuestro equipo etilmercurista. No vaya a terminar preguntándole a un tarotista, como ocurrió en la TV: