Las «ondas gravitacionales», ondulaciones del espacio-tiempo: observadas por primera vez en 2015, confirmadas en 2016

Sandra Isabel Jiménez Mateos *

Era el 11 de febrero de 2016 cuando el Observatorio de Interferometría Láser de Ondas Gravitacionales de EE UU (LIGO, por sus siglas en inglés) anunció un descubrimiento sin precedentes y muy esperado que venía a confirmar la teoría sobre las ondas gravitacionales que Albert Einstein había formulado cien años antes.

Las ondas gravitacionales, ondulaciones que encongen la tela del espacio-tiempo, fueron detectadas por primera vez el 14 de septiembre de 2015 (a las 5:51h en la costa este de EE UU) por los dos detectores gemelos de LIGO, ubicados en Livingston (Louisiana) y Hanford (Washington, EE.UU).

Por primera vez, los científicos lograron observar las ondas gravitacionales, ondulaciones en el espacio-tiempo producidas por un evento catastrófico en el universo, en este caso, la fusión de dos agujeros negros a más de 1,3 billones de años luz de distancia.

Para Science, el descubrimiento y su confirmación, cambió todo el panorama científico de la observación espacial, tanto que llevó a la revista a seleccionar el evento y su confirmación como el descubrimiento del año, en 2016.

Las ondas gravitacionales son oscilaciones del espacio-tiempo originadas en algunos de los fenómenos más violentos del cosmos -como colisiones y fusiones de estrellas masivas compactas, la explosión de supernovas y sistemas binarios- y habían sido predichas por Albert Einstein en su Teoría de la Relatividad General, en 1915, cuando demostró que los objetos masivos acelerados debían distorsionar el espacio-tiempo en forma de radiación gravitacional que se alejaba de la fuente.

En este caso particular las ondas gravitacionales detectadas, y denominadas GW150914, se supone que fueron producidas durante la última fracción de segundo de la fusión de dos agujeros negros para producir un solo agujero negro más masivo en rotación, un evento que se originó en una galaxia lejana a unos 1,300 millones de años luz y cada uno de ellos era entre 29 y 36 veces la masa del Sol.

Con esas mediciones, se estima que el pico de energía liberado en forma de ondas gravitacionales durante los momentos finales de la fusión de los agujeros negros fue diez veces mayor que la luminosidad combinada de todas las galaxias en el universo observable.

Fusión de dos agujeros negros, un evento que puede generar ondas gravitacionales- NASA

La detección de las ondas gravitacionales se hizo en Estados Unidos por los instrumentos del observatorio LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory), interferómetros con túneles en forma “L” que miden cada uno 3 kilómetros. Existen dos de tales interferómetros, separados unos 4000 kilómetros, uno se encuentra  en Livingston, Louisiana, y en otro en  Hanford, Washington. La comparación de los momentos de llegada de las ondas gravitacionales a los dos detectores LIGO mostraron 7,1 milisegundos de diferencia, datos que confirmaron su existencia.

Los observatorios LIGO están financiados por la National Science Foundation (NSF), y fueron concebidos y construidos, y son operados por los institutos Caltech y MIT.

Según los descubridores y la comunidad científica internacional, este importante descubrimiento marca el inicio de una excitante nueva era en la astronomía y, al mismo tiempo, abre una ventana de observación al universo totalmente nueva en forma de ondas gravitacionales.

El descubrimiento fue aceptado para su publicación en la revista Physical Review Letters, en un artículo que describe ambos descubrimientos que tienen extrema relevancia científica: la primera detección directa en la Tierra de ondas gravitacionales y la primera observación de la colisión y fusión de una pareja de agujeros negros.

Estas oscilaciones viajan a través del universo a la velocidad de la luz, llevando consigo información sobre sus orígenes, así como inestimables pistas acerca de la naturaleza de la gravedad misma. Estas ondas proporcionan datos sobre los  sus dramáticos orígenes y sobre la naturaleza de la gravedad que no puede obtenerse de otra manera.

Antes ya se había anunciado una fallida detección

Respecto a la seguridad de que GW150914 sea un evento astrofísico real, y tras el fallido anuncio del descubrimiento de ondas gravitaciones primigenias por parte del equipo BICEP2 en 2014, los científicos de la UIB consideran que “sí”. Sin embargo, para resolver una cuestión tan crucial las colaboraciones LIGO y Virgo han realizado diversas pruebas independientes para confirmar la detección.

En primer lugar, la diferencia temporal entre las observaciones hechas en cada detector fue consistente con el tiempo de viaje de la luz entre los dos detectores. Además, las señales de Hanford y Livingston encontraron un patrón similar, además de ser en ambos lo suficientemente potentes como para destacar del ‘ruido de fondo’. Esto equivaldría a poder entender una conversación por encima del murmullo general en una sala grande y concurrida.

Las ondas gravitacionales son ondulaciones concéntricas que encojen y estiran la ‘tela’ del espacio-tiempo- NASA

Para realizar el análisis estadístico se usaron los datos de 16 días del mes siguiente del evento. Aplicando desplazamientos artificiales y descartando falsas alarmas, se comprobó que GW150914 fue de lejos la señal más fuerte observada en ambos detectores durante ese periodo.

Un evento de ruido imitando GW150914 sería extremadamente inusual, con un ritmo de falsa alarma menor al de un suceso cada 200,000 años. Ese ritmo se traduce a la variable “sigma” utilizada por los científicos para medir la significancia estadística de una detección. Si es mayor de 5 sigma se considera un evento real, un verdadero descubrimiento, y con GW150914 se alcanzó una significación superior a 5,1 sigma.

Este tipo de ondas son de amplitud muy pequeña y se requiere de una sensibilidad enorme, por eso se requiere de instrumentos tan precisos como LIGO.

El descubrimiento fue realizado en colaboración con investigadores del Centro Nacional de Investigación Científica (CNRS) de Francia a través del proyecto Virgo. Los físicos determinaron que las ondas gravitacionales detectadas en septiembre nacieron en la última fracción de segundo antes de la fusión de dos agujeros negros, objetos celestes aún misteriosos que resultan del colapso gravitacional de enormes estrellas.

Un fenómeno ya observado de manera indirecta en 1980

A las ondas gravitacionales se les muestra como la deformación que ocurre cuando un peso reposa sobre una red, la red representa el entramado espacio-tiempo. Hasta ahora no se había observado directamente este fenómeno pero sí de manera indirecta desde la década de 1980, con el descubrimiento del pulsar binario PSR 1913+16 por Joseph Taylor y Russell Hulse (lo cual les valió el Premio Nobel de Física en 1993). Estos sistemas han sido de gran interés debido a que la medición de la disminución de los períodos en púlsares binarios confirmó indirectamente la existencia de la radiación gravitacional.

 * Investigadora del IIESES de la Universidad Veracruzana