OLAS EN EL OCÉANO CÓSMICO: LAS ONDAS GRAVITACIONALES

Jorge L. Cervantes Cota INSTITUTO NACIONAL DE INVESTIGACIONES NUCLEARES

La fuerza de la gravitación, más conocida como gravedad, es una propiedad de los cuerpos y del espacio que involucra su masa y energía. A la humanidad le ha tomado mucho tiempo comprender cómo funciona. Fue en el siglo XVII cuando Isaac Newton descubrió que la gravitación terrestre —que explica la caída de los cuerpos— y la celeste —que explica el movimiento de los planetas— están regidas por la misma fórmula matemática.

De manera sorpresiva, la idea de onda gravitacional fue introducida por el matemático William K. Clifford en 1870: “… esta propiedad de estar curvado o distorsionado se pasa continuamente de una parte del espacio a otra a la manera de una onda”. Henri Poincaré amplió la idea al proponer que la gravedad se transmite a través de una onda que también llamó onda gravitacional (onde gravifique).

En 1915, en la teoría de la relatividad general de Albert Einstein, la geometría y la energía se entrelazan de una manera íntima: la una determina a la otra. Sabemos que la materia presenta fenómenos ondulatorios, por lo tanto, surgió la pregunta: ¿por qué no habría ondas en el espacio mismo, como una deformación de la geometría o, en general, del espacio-tiempo?

Las ondas gravitacionales fueron buscadas por casi un siglo y en todos los frentes: teoría, experimento y cálculo numérico. En 2015, Marco Drago del Instituto Max Planck de Física Gravitacional en Hannover,

Alemania, recibió un correo electrónico generado desde los observatorios LIGO ( Interferometer Gravitational Wave Observatory, por sus siglas en inglés). El correo tenía dos enlaces, y cada uno incluía un gráfico de una señal similar a la que registran los ornitólogos al registrar gorjeos de aves. Uno provino de una estación de LIGO ubicada en Hanford, Washington, y el otro de la estación LIGO en Livingston, Luisiana, ambos en Estados Unidos. Tales señales representan la primera detección directa de ondas gravitacionales generadas, en este caso, por la fusión de dos agujeros negros localizados a cientos de millones de años luz de la Tierra. Las ondulaciones del espacio-tiempo viajan a la velocidad de la luz, así que la fusión ocurrió hace cientos de millones de años en el pasado. Con este resultado, la visión de Clifford y Poincaré tomó forma.

En agosto de 2017 se observó la fusión de otro tipo de objetos que también generan ondas gravitacionales; en este caso eran estrellas de neutrones. Aunque no tienen carga eléctrica, los neutrones se repelen en las condiciones impuestas por el denso núcleo de estas estrellas, contrarrestando así su intensa gravedad.

Las estrellas de neutrones son objetos muy compactos, con diámetros de unos 20 kilómetros. Son muy pequeñas comparadas con estrellas normales como nuestro Sol, que tiene un radio cercano a los 700 mil kilómetros. A pesar de su tamaño, las estrellas de neutrones tienen más masa que el Sol. ¡Una cucharadita de estrella de neutrones podría pesar alrededor de 100 millones de toneladas!

La fusión de estrellas de neutrones genera una explosión llamada kilonova donde, al igual que sucede con una supernova, se emite mucha luz. En el 2017, la luz de una kilonova llegó a nosotros unos segundos después de las ondas gravitacionales. En esas explosiones se generan los elementos naturales más pesados de la tabla periódica.

Las ondas gravitacionales nos están ayudando a entender qué tan frecuentes son las colisiones de agujeros negros, dónde están, y qué tan rápido se expande el Universo. Todo esto abrió una nueva ventana para conocer el Universo: la astronomía de ondas gravitacionales. Ella nos brinda una nueva perspectiva que ha causado grandes expectativas en la comunidad científica, por lo que ya están desarrollándose nuevos observatorios de ondas gravitacionales. Se piensa poner un observatorio en el espacio llamado LISA

(Laser Interferometer Space Antenna, por sus siglas en inglés), formado por tres satélites, con los que se podrían detectar diferentes eventos extraordinarios, y medir las propiedades de agujeros negros muy masivos o la forma en que éstos colisionan con otras estrellas.

Quizás en el futuro podremos lograr medir las ondas gravitacionales que se formaron durante el Big Bang. Si se pudieran detectar, estaríamos explorando el Universo en su condición más temprana, hace 13 mil 400 millones de años.

La luz evolucionó de una manera compleja, amarrada a los electrones y expandiéndose junto con la materia, pero las ondas gravitacionales se escaparon y viajaron libremente. Posteriormente, 400 mil años después del Big Bang, las ondas gravitacionales alteraron la luz del fondo de radiación cósmica, modificando su polarización. Esto es importante porque, si se detecta esta polarización en los próximos años, estaríamos viendo una manifestación del remanente de las ondas gravitacionales primordiales, cuando el Universo sufrió una expansión muy acelerada. Esa época temprana del Universo es conocida como la inflación cósmica.

Ahora surgen sinergias entre varias áreas de la física con la astrofísica. La detección de las ondas gravitacionales, junto con los estudios de rayos cósmicos, del fondo de radiación cósmica y con los resultados de los observatorios espaciales, ya han abierto lo que se conoce como astronomía multimensajera, la cual seguramente nos dará más sorpresas en el fascinante estudio del cosmos y, por qué no, más Premios Nobel para la cosmología. ¿Quién o quiénes se apuntan para estar ahí?