Ondas gravitacionales

Por el Principio de Equivalencia sabemos que la curvatura del espacio tiempo debida a la gravedad, puede producirse también de forma sensible por la aceleración de una masa grande, como un agujero negro o una estrella de neutrones o por la explosión de una supernova. Cuando esto ocurre, por ejemplo, cuando un agujero negro atrae a otro y ambos terminan chocando y fundiéndose en uno solo, la aceleración que tiene lugar en ese proceso da lugar a una curvatura importante del espacio tiempo, que por el choque se propaga por todo el universo de la misma manera que la onda creada por una piedra cuando cae en un estanque. Una propagación de este tipo es lo que se llama onda gravitacional u onda gravitatoria.

Como toda onda que se propaga a través del espacio, una onda gravitacional está definida por la altura de sus crestas, que se llama amplitud; por la distancia entre dos crestas, que se llama longitud de onda; y por su velocidad. La amplitud de las ondas gravitacionales es muy pequeña, tan pequeña que no se puede medir directamente, porque es aún más pequeña que cualquier ruido que se genere en el proceso de medida; su longitud de onda es muy grande, del orden de miles de kilómetros; y su velocidad es igual a la velocidad de la luz. Las ondas gravitacionales son muy difíciles de medir, pero interactúan muy poco con lo que se encuentran en su camino, por lo que cuando las detectamos las podemos ver sin ninguna distorsión.

Por la curvatura del espacio tiempo que transportan, las ondas gravitacionales van deformado el espacio que van atravesando. Si colocáramos doce pelotas de tenis en los doce puntos horarios de un reloj, y la esfera de ese reloj fuera atravesada por una onda gravitacional, las pelotas se descolocarían formando una elipse cuyo eje mayor iría tomando las posiciones vertical y horizontal según fueran pasando las dos semiondas. Midiendo estas deformaciones tendríamos toda la información de la onda gravitacional que atravesó el el círculo definido por las doce pelotas. En términos absolutos las deformaciones serán mayores cuanto más distanciadas estén las pelotas. El problema es que estas deformaciones son del orden de picómetros, y un picómetro es igual a 0,000000000001 m.

Para medir estas deformaciones se utiliza un interferómetro, basado en los mismos principios del interferómetro que construyó Milchelson a finales del s XIX. Aunque la construcción de un interferómetro puede ser complicada y la interpretación de sus datos también, las bases de su funcionamiento son fáciles de entender. De una fuente adecuada parte un rayo de luz que a través de un juego de espejos y semiespejos se hace llegar a una pantalla siguiendo dos caminos diferentes, generalmente perpendiculares entre sí. Si los dos caminos tienen la misma longitud los dos rayos llegarán a la pantalla superpuestos como si se tratara de uno solo. Si uno de los caminos es más largo o más corto porque se haya deformado al paso de una onda gravitacional, las ondas de los dos rayos llegarán desfasadas, y por la imagen de la pantalla podemos estudiar la onda que causó esa deformación.

Para detectar el paso de ondas gravitacionales existen pocos laboratorios en todo el mundo. El más importante es el laboratorio LIGO, que tiene dos observatorios en Estados Unidos, uno en Livingston, Louisiana, y otro en Hanford Site, Washinton, separados entre sí por 3000 km, con lo cual una onda que pasara por ambos observatorios tardaría en este desplazamiento 10 ms. Estos dos observatorios son básicamente como dos grandes interferómetros formados por dos brazos perpendiculares. Ambos trabajan con rayos laser y sus recorridos ópticos son de 4 y 2 km respectivamente. La fotografía de la cabecera corresponde a uno de ellos.

La observación más conocida de ondas gravitacionales es la que tuvo lugar en estos dos laboratorios en el año 2015, que mostró cómo dos agujeros negros empiezan a orbitar cada uno alrededor del otro haciendo una rueda, cómo se van aproximando entre sí cada vez a mayor velocidad, y cómo, al tocarse sus horizontes, terminan engulléndose uno al otro dando lugar a un agujero negro único. El mayor de ellos tenía una masa de 36 masas solares y el otro de 29, y este choque descomunal ocurrió a una distancia de 1.300 millones de años luz.

Actualmente se está trabajando en un proyecto para construir un detector de ondas gravitacionales en el espacio. Se trata de tres satélites que orbitarían alrededor de la tierra, cada uno de los cuales sería con los otros dos un gigantesco detector de ondas gravitacionales del tipo del citado LIGO, pero cuyos recorridos ópticos podrían medir cientos de miles de kilómetros. Se trata de un proyecto de la Agencia Europea del Espacio, denominado LISA, que podría lanzarse en el año 2030. Ya se ha construido un avance exploratorio del mismo llamado LISA Pathfinder.

Por sus trabajos en el laboratorio LIGO, los científicos Rainer Weiss, Barry Barish y Kip S. Thorne recibieron el premio Nobel de Física en el año 2017. 

Fotografía: Laboratorio LIGO. Obsérvese el largo recorrido de los dos brazos perpendiculares entre sí de su interferómetro de rayos láser.