Las ondas gravitatorias: unas nuevas gafas para observar el Universo

Estamos muy familiarizados con la fuerza que nos mantiene literalmente los pies en el suelo: la gravedad. Pero hay algo muy peculiar acerca de ella. Hasta que llegó el genial Einstein, entendíamos la gravedad como una fuerza más. Es la descripción que dio el también genial Newton en 1687 de que los objetos se atraen por el hecho de poseer masa, y esto vale tanto para los planetas como para las manzanas que se caen de los árboles. Pero Einstein nos permite entender la gravedad de otra forma.

Newton interpretaba los relojes que miden los tiempos y las reglas que miden las distancias como objetos ajenos a lo que querían medir, impasibles, imperturbables: lo que querían medir no les afectaba. Los experimentos transcurrían en un escenario rígido que no era afectado ni afectaba, a lo que ocurría en él. Pero llega Einstein, y esto cambia: para empezar, no trata separadamente reglas y relojes, sino que integra sus medidas. ¿Verdad que cuando queremos quedar con alguien decimos el lugar donde queremos quedar y también la hora? Necesitamos todas esas coordenadas juntas para ubicar un evento, algo que sucede, ha sucedido o sucederá.

Einstein -con la ayuda de un gran matemático, Minkowski- integra las coordenadas de tiempo y las de espacio en el mismo objeto matemático. De hecho es Minkowski quien lo hace y Einstein se muestra reticente a creerlo y adoptarlo durante algunos años, hasta que ve que es necesaria esta artimaña, esta unión de tiempo y espacio en un único objeto, para elaborar su teoría de la relatividad. Las cuatro coordenadas, pues, todas a la vez -tres de espacio y una de tiempo- son necesarias para describir los sucesos, y estos dos grandes, Minkowski y Einstein, nos hablan de espacio-tiempo.

Y Einstein va más allá: este espacio-tiempo no es rígido e impasible como el escenario de Newton. Einstein nos dice que la materia y la energía afectan a este escenario y que el escenario a la vez afecta a la materia y energía. Este escenario en el que todo transcurre y que está por todas partes es deformable por las cosas que hay en él, y deforma a la vez a las cosas que hay en él. No son teatros rígidos como los de Newton, donde los actores actúan sin más; son más bien teatros dalinianos donde lo que se representa deforma el propio continente y viceversa. Así pues, en general, el contenido de materia o energía (sabemos también gracias a Einstein, que una determinada cantidad de energía equivale a una determinada cantidad de materia) deforma el espacio-tiempo.

Entonces también la presencia de una masa, como una estrella, deforma la "red" de espacio-tiempo. Y con este nuevo enfoque, los planetas que giran alrededor de ella no lo hacen porque esté actuando una fuerza -la gravedad- sino porque caen en la deformación creada. He aquí la genialidad de Einstein: cambiamos fuerza entre dos cuerpos por deformación del espacio-tiempo que los contiene.

Con esto vemos que si los cuerpos se atraen es debido a que el espacio-tiempo en el que están está deformado y caen en esa deformación. Es importante remarcar que la descripción clásica de la gravedad como fuerza, la de Newton, se puede obtener de la de Einstein (es un límite determinado de sus ecuaciones) y que por tanto la de Einstein no invalida a la de Newton sino que es más general y la engloba. Simplemente, en función del caso a tratar, aplicamos un instrumento u otro: cuando las deformaciones (la gravedad) es débil, utilizamos la teoría de Newton; cuando no es débil, utilizamos la de Einstein. Gravedad débil es la que tendría asociada una velocidad de escape -velocidad que se necesita para eludir la atracción gravitatoria de un objeto y salir al espacio exterior- menor de aproximadamente 30.000 km/s (el 10% de la velocidad de la luz). La red de espacio-tiempo, por tanto, no es rígida porque se deforma. Tiene, pues, cierta elasticidad. Y ello posibilita también que las deformaciones que se creen en ella puedan propagarse: las ondas gravitatorias son las deformaciones del espacio-tiempo que se propagan por él.

Lo que ocurre con una onda gravitatoria es como cuando lanzamos una piedra en un lago y generamos ondas. En el caso del Universo, los fenómenos que actuarían como la piedra que crea la ola serían sucesos muy energéticos, como la explosión de supernovas, que son estrellas más masivas que el Sol, o el choque de agujeros negros. El lago sería nuestro espacio-tiempo, y las olas serían las ondas gravitatorias.  A diferencia de las ondas electromagnéticas que se propagan por el espacio, las ondas gravitatorias serían agitaciones del propio espacio-tiempo.

Fue Einstein en 1916 quien describió estas ondas gravitatorias matemáticamente. A nivel observacional, existía una predicción matemática muy precisa de que un sistema de dos estrellas, girando una alrededor de la otra, debería perder energía debido a la emisión de ondas gravitatorias y acabaría con ello chocando. Este acercamiento cada vez mayor se detectó en 1974 en un sistema de dos estrellas de neutrones -las estrellas de neutrones son estrellas muy densas que concentran en el tamaño de una pequeña ciudad, unos 15 km, toda la masa de un Sol- usando el radiotelescopio de Arecibo (el de la película Contact, en Puerto Rico). El acercamiento seguía las predicciones matemáticas a la perfección y tardarán aún unos 300 millones de años en chocar. La observación se llevó el Premio Nobel de Física de 1993 por la detección indirecta de las ondas gravitatorias.

Pero fue una detección indirecta... Y ahora viene lo impresionante y único. Recientemente hemos dado un gran paso para la Física y la observación del Universo: hace escasos meses, el 14 de septiembre del 2015, el detector de ondas gravitatorias LIGO, en EE.UU., detectó por primera vez directamente estas ondas, que habían impactado contra su detector.

Se observaron las ondas gravitatorias emitidas por dos agujeros negros de 29 y 36 veces la masa de nuestro Sol. Tras fusionarse, el sistema formó un nuevo agujero negro de 62 masas solares. La diferencia entre la masa final y la masa inicial, unas tres masas solares, fue emitida en la forma de ondas gravitacionales. Como señaló Kip Thorne, uno de los investigadores principales del proyecto, "esta es la explosión más grande medida en la historia después del Big Bang". Esto sucedió hace unos 1.300 millones de años. La detección de ondas gravitatorias se llevará con seguridad el próximo Premio Nobel de Física.

He utilizado en párrafos anteriores los adjetivos "impresionante" y "único" para referirme a la detección de las ondas gravitatorias; y lo he hecho porque en realidad lo es: muy pocas veces somos contemporáneos de un descubrimiento que abre nuevas puertas. Y éste lo ha sido. Con las ondas gravitatorias disponemos de unas "gafas nuevas" para observar el Universo, tanto para fenómenos que ya conocíamos como para los que aún no: la luz puede ser "bloqueada", pero las ondas gravitatorias no porque son deformaciones del espacio-tiempo y el espacio-tiempo está en todas partes, de modo que con las ondas gravitatorias podremos "ver" cosas en el Universo que no podemos observar con la radiación electromagnética, como los agujeros negros o el mismísimo Big Bang.

Hay mucha ciencia aquí por descubrir durante las próximas décadas. Así que puede que futuros científicos que nos sigáis contribuyan a descubrirla y, todos en conjunto, a disfrutarla.

Gloria García-CuadradoFísica teóricaDirectora científica y colaboradora de Órbita Laika: La Nueva Generación@gloriagarciacu1