Las ondas gravitacionales y los eventos violentos del Universo

Las ondas gravitacionales permiten a los científicos estudiar los sucesos más violentos del Universo, como la colisión de dos agujeros negros, de dos estrellas de neutrones o la explosión de una supernova; incluso dan información del Big Bang(teoría del origen y expansión del Universo). Si bien, no han podido ser detectadas de manera directa, en marzo pasado investigadores del Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, anunciaron la detección indirecta de ondas gravitacionales primordiales que se originaron durante la inflación del Universo posterior a la Gran Explosión.

Las ondas gravitacionales se originan cuando dos masas oscilan, pero debido a que la gravedad es muy débil –lo vemos cuando acercamos un imán a un clip y el primero vence a la gravedad y no deja caer al clip– para poder detectarlas los investigadores necesitan estudiar eventos violentos, tal es el caso de la colisión de dos agujeros negros.

El doctor Miguel Alcubierre, director del Instituto de Ciencias Nucleares de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM), explicó en una conferencia impartida en la Dirección General de Divulgación de la Ciencia de la misma institución que detectar ondas gravitacionales no es sencillo, porque para ello se requieren objetos con gran cantidad de materia. “Necesitamos dos estrellas pequeñas pero masivas, es decir estrellas de neutrones que estén a una distancia corta y dando vueltas casi a la velocidad de la luz, que generen ondas gravitacionales lo suficientemente fuertes para poder ser detectadas”.

Respecto a lo que el telescopio ubicado en el Polo Sur, BICEP2 (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization por sus siglas en inglés), detectó el mes pasado, el investigador y miembro de la Academia Mexicana de Ciencias (AMC), señaló que tiene que ver con el origen y la expansión del Universo.

La temperatura del Universo

En un inició el Universo era un plasma y al ser opaco no dejaba pasar la luz, fue hasta que pasaron cerca de 380 mil años que se volvió transparente y se pudo detectar la radiación cósmica de fondo, con una temperatura equivalente a 2.7 grados Kelvin. Cuando un gas está comprimido se calienta. En el pasado toda la materia del Universo estaba junta y muy caliente, una vez que comenzó la expansión se fue enfriando.

La temperatura del Universo no puede ser la misma en todas direcciones porque sería uniforme, por ello deben existir pequeñas variaciones en su temperatura dependiendo de hacia dónde miremos. ¿Pero a dónde mirar? De acuerdo con los cálculos de la ubicación y el porcentaje de las variaciones en la temperatura del Universo, los investigadores dividieron hipotéticamente en 100 mil partes un fragmento del Universo, y en una de esas pequeñas partes existe una variación, posteriormente con el satélite cosmológico COBE (Cosmic Background Explorer por sus siglas en inglés) en 1992 se detectaron estas variaciones.

El doctor Alcubierre mencionó que el origen del Universo como se presenta en el Big Bang deja algunas preguntas, una de ellas es por qué los dos extremos del Universo son iguales a pesar de nunca haber estado en contacto. Al respecto el físico y cosmólogo estadounidense Alan Guth, del Instituto Tecnológico de Massachusetts, planteó en 1981 que esto ocurrió ya que en sus primeros momentos el Universo se expandió más rápido que la luz, y por eso zonas que parecen no haber estado juntas lo estuvieron.

En este sentido, “la teoría cuántica dice que todos los sistemas físicos cuando están en su estado de mínima energía no son uniformes, tienen pequeñas fluctuaciones al azar; se les llama fluctuaciones cuánticas y cuando provienen de los orígenes del Universo se les denomina además primordiales. En el momento en el que se da la expansión del Universo las fluctuaciones cuánticas se vuelven macroscópicas, equivalentes al tamaño de galaxias”.

Así, la expansión no sólo amplificó las fluctuaciones cuánticas, sino también las de la gravedad, entonces deben existir ondas gravitacionales primordiales amplificadas provenientes del origen del Universo, no las podemos ver porque son muy débiles, pero dejan una huella en la radiación cósmica de fondo, es decir en el remanente que dejó la explosión y expansión violenta del Universo en una etapa muy temprana caliente y densa. En marzo del 2014 se anunció la detección de esta huella por medio del telescopio BICEP2.

Para agarrar la “onda”

Si ocurre un evento astronómico violento como la explosión de una súper nova o el choque de dos estrellas de neutrones en nuestra galaxia, cómo se detectarían las ondas gravitacionales que se producen, qué hace una onda gravitacional cuando llega a la Tierra, cómo afecta la masa –cantidad de materia– de los objetos. El investigador describió que, “si utilizáramos un círculo de partículas que flota en el espacio y las ondas gravitacionales pasaran por él, el efecto se vería porque la onda achataría en una dirección al círculo y lo alargaría en otra de manera alternada.

“Lo mismo sucedería si una onda gravitacional pasara a través de nosotros, nos haríamos primero altos y flacos, luego bajos y gordos, una y otra vez hasta que la onda terminara de pasar, aunque nadie notaría nada, porque provocaría en nosotros cambios de tamaño de sólo una parte en 1021, esto equivale a que un objeto de un metro de longitud se alargara o contrajera a una distancia igual a una millonésima parte del tamaño del núcleo atómico”.

Desde el siglo XIX se conoce un aparato para medir distancias, el interferómetro que es un artefacto que parte del principio de que la luz es una onda y está constituido por dos espejos colocados a diferentes distancias; la idea es utilizarlo para medir los diminutos cambios de distancia que produce el paso de una onda gravitacional y poder detectarlas.

Sin embargo, para detectar las débiles ondas gravitacionales se necesitan interferómetros de varios kilómetros. Estos instrumentos ya existen, y con ellos se pretenden detectar las ondas gravitacionales a través de los pequeños movimientos que deben producir en los espejos.

Por ahora se ha dado un gran paso adelante con la detección indirecta de la huella de las ondas gravitacionales en la radiación cósmica en las instalaciones de BICEP2, ubicadas en el Polo Sur.

 Miguel Alcubierre