Cuando chocan dos agujeros negros
El detector LIGO, listo para registrar ondas gravitacionales generadas en el
universo
KENNETH CHANG - Nueva York
EL PAÍS - 31-05-2006

Tras varios años de pruebas, el observatorio empezó a funcionar el pasado
noviembre

La tasa de fusiones detectables podría ser de una cada 50 años
aproximadamente
La National Science Foundation estadounidense grabó dos grandes uves, una en
un desértico paisaje del Estado de Washington y otra entre pinos en el
Estado de Luisiana, a finales de los años noventa. Fue el inicio del
esfuerzo más ambicioso hasta la fecha para detectar ondas gravitacionales.
Las dos uves son túneles que alojan el Laser Interferometer
Gravitational-wave Observatory (LIGO) y, si un fenómeno extremadamente
violento, como la colisión entre dos agujeros negros, hace temblar la
estructura del universo a una distancia de 300 millones de años luz de la
Tierra, el sistema debería detectar las fluctuaciones gravitacionales
resultantes. El observatorio es lo bastante sensible como para advertir un
cambio de menos de una décima de trillonésima de pulgada (1 pulgada es 2,54
centímetros), lo que equivale a una milésima parte del diámetro de un protón
en la longitud de los haces láser que recorren los túneles, de cuatro
kilómetros de longitud.
Después de varios años de pruebas y operaciones de ajuste -por ejemplo, en
el laboratorio de Luisiana hubo que instalar amortiguadores especiales para
contrarrestar las vibraciones generadas por la tala de árboles cercanos- el
observatorio empezó a funcionar el pasado noviembre. El coste de la
construcción de los dos centros asciende a casi 235 millones de euros, y el
mantenimiento anual es de 23 millones de euros.
Los datos obtenidos hasta ahora, presentados recientemente en una reunión de
la Sociedad Americana de Física, en Dallas, no contienen nada de interés. De
hecho, a los científicos no les sorprendería que no se encontrase nada
durante el primer año de experimentos. "Yo no perdería el sueño
preocupándome por la relatividad general", dice Peter R. Saulson, portavoz
del observatorio. Jay Marx, director general del LIGO, estima que las
posibilidades de éxito son de un 25 %, "si la naturaleza se porta bien".
La relatividad general, formulada por Einstein para explicar las propiedades
del espacio y el tiempo, encaja bien con las mediciones hechas en el Sistema
Solar y sus alrededores. Pero las predicciones sobre lo que ocurre donde la
gravedad es extremadamente fuerte, por ejemplo en torno a los agujeros
negros, apenas se han podido comprobar. Uno de los pronósticos afirma que,
en tales condiciones, se generarán unas ondas gravitacionales considerables.
Gracias a unas nuevas investigaciones, los científicos tienen ahora una idea
más clara de lo que debería buscar el LIGO. Un equipo dirigido por Joan M.
Centrella, directora del Laboratorio de Astrofísica Gravitacional (de la
NASA), anunció recientemente haber calculado la forma de las ondas
gravitacionales que deberían generarse cuando se fusionan dos agujeros
negros, el uno en órbita alrededor del otro. Las ecuaciones de la
relatividad general se anotan con facilidad, pero son célebres por la
complejidad de su resolución. Los astrofísicos fueron capaces de simular una
colisión frontal entre dos agujeros negros hace tres décadas, pero computar
la trayectoria de dos agujeros negros en órbita y su violenta unión resultó
ser mucho más difícil.
Las simulaciones de Centrella contienen algunas simplificaciones que no
reflejan los atributos de los pares de agujeros negros reales: los dos
objetos tienen la misma masa, y ninguno de los dos gira. Los cálculos
pronosticaban, por ejemplo, que un 4% de la masa de los agujeros negros se
convertiría en ondas gravitacionales. "Es una cifra muy importante", explica
Saulson. "Nos indica que las ondas gravitacionales tendrán aproximadamente
la fuerza que esperábamos, y eso es un estímulo, porque hace que parezca que
las probabilidades de hallar algo sean mayores".
La teoría de la relatividad general de Einstein transformó el concepto de la
gravedad en un rompecabezas geométrico, en lugar de ser una simple fuerza
que hacía que las manzanas cayeran de los árboles. Cabe imaginar una
superficie de goma tensada en horizontal sobre la que se lanzan una bola de
bolos y una pelota de tenis. La bola es más pesada y se hunde más, y la
pelota se desplaza hacia la primera, no porque exista una atracción directa
entre ambas, sino porque la pelota de tenis rueda hasta la depresión que se
crea alrededor de la bola. En esta analogía bidimensional del espacio-tiempo
uno puede imaginar también una colisión súbita entre objetos que genere
unas ondas que se deslicen por la superficie. Ésas son las ondas
gravitacionales que espera detectar el LIGO.
El observatorio funciona así: en cada uno de los centros, un rayo láser
generado en la base de la V se divide en dos y se dispara a través de unos
túneles excavados a lo largo de los brazos; la luz rebota de un extremo a
otro de los túneles; cuando una onda gravitacional pasa a gran velocidad,
debería aumentar y reducir la distancia recorrida por el rayo, haciendo que
la luz del láser parpadee en un detector situado en la base de la V. Como
los instrumentos son muy sensibles a pequeñas perturbaciones, para los
científicos probablemente sólo serían convincentes las señales recibidas por
ambos detectores del LIGO, separados uno de otro por casi 3.200 kilómetros.
Las dudas sobre si el LIGO conseguirá detectar ondas gravitacionales no
radica en cuestiones sobre la relatividad general, sino en dudas sobre la
frecuencia con la que se producen los acontecimientos que generan ondas
gravitacionales en el universo. En teoría, los pares de agujeros negros en
órbita son el resultado final de sistemas estelares compuestos por dos
estrellas gigantescas. Con el tiempo, los agujeros negros acabarían
colisionando. Los astrónomos pueden ver muchos pares de estrellas gigantes
rotando en el cielo, pero no están seguros de que terminen desmoronándose
para convertirse en pares de agujeros negros.
Debido a que los astrofísicos no comprenden del todo cómo envejecen las
estrellas, "existen muchos factores de incertidumbre", señala Vassiliki
Kalogera (Universidad Northwestern). "No sabemos si existen los agujeros
negros binarios". En la versión más optimista, sus cálculos indican que el
LIGO podría detectar hasta 10 fusiones de agujeros negros al año. Pero el
factor de incertidumbre de los cálculos es de cien, lo cual significa que,
en el caso más pesimista, la tasa de fusiones detectables podría ser de una
cada 50 años, aproximadamente.
Un acontecimiento más común es la fusión de estrellas de neutrones, que son
los núcleos densos remanentes de la explosión final de ciertas estrellas. La
prueba más fiable de que existen las ondas gravitacionales fue la
observación indirecta que realizaron dos físicos de Princeton, Joseph H.
Taylor y su alumno Russell A. Hulse. Ellos descubrieron un par de estrellas
de neutrones pulsantes en órbita una de la otra y comprobaron que la
cantidad de energía perdida en la disminución de las órbitas era igual a la
cantidad de energía que se esperaba que fuese emitida en forma de ondas
gravitacionales. Recibieron por ello el Premio Nobel en 1993.
Pero las ondas gravitacionales emitidas por las estrellas de neutrones en
órbita son demasiado débiles como para ser detectadas por el LIGO. E incluso
cuando dos de estos cuerpos colisionan, el cataclismo no es ni mucho menos
tan violento como una fusión entre agujeros negros, con lo cual, un choque
entre estrellas de neutrones debería producirse mucho más cerca para que el
LIGO pudiese percibirlo. Según los cálculos de Kalogera, el observatorio
detectará, en el mejor de los casos, una fusión de estos astros cada siete u
ocho años. Según Marx, para que el LIGO detecte ondas gravitacionales de
forma habitual, los instrumentos requerirían una mejora propuesta de 160
millones de euros, que incluye láseres más potentes para multiplicar por
diez su sensibilidad.
Los astrónomos esperan que el LIGO y sus sucesores, así como otros
detectores similares en Europa y Japón, se conviertan en una nueva clase de
telescopio. Si la detección de ondas gravitacionales se volviera algo
habitual, los astrónomos podrían deducir muchas propiedades físicas de los
agujeros negros y las estrellas de neutrones. El observatorio mejorado quizá
pueda detectar también ondas gravitacionales emitidas por la explosión de
estrellas e incluso por reverberaciones del Big Bang. Mientras tanto, la ESA
y la NASA están pensando enviar al espacio en la próxima década un detector
de ondas gravitacionales llamado Laser Interferometer Space Antenna (LISA)
compuesto por tres satélites. Por ahora, los científicos están a la espera
de su primera onda gravitacional en LIGO.
© The New York Times


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