Las ondas gravitacionales han golpeado de nuevo. Los científicos que en febrero anunciaron su descubrimiento histórico de estas ondas en el espacio-tiempo revelaron el miércoles que habían detectado más –de nuevo causadas por el choque de un par de agujeros negros–. Las colosales fuerzas gravitacionales que tienen lugar cuando dos objetos tan increíblemente densos chocan entre sí son tan catastróficas que desgarran el espacio-tiempo, curvándolo en poderosas ondas que viajan sin obstáculos a través del cosmos. Este segundo hallazgo muestra que el descubrimiento inicial no fue un extraño golpe de suerte, sino más bien el anticipo de muchos más por venir, marcando el comienzo de una era en la que los astrónomos pueden usar ondas gravitacionales, mejor que la luz, para "ver" los agujeros negros y otros componentes invisibles de el universo oculto.

Estas ondas fueron predichas por la teoría general de la relatividad de Albert Einstein, pero nunca fueron detectadas directamente hasta que el equipo del Observatorio de ondas gravitacionales por interferometría laser (LIGO, por sus siglas en inglés) las observó el septiembre pasado. Su segundo descubrimiento alimenta las esperanzas de los físicos de que pronto recogerán suficientes resultados como para estudiar la frecuencia de choques entre agujeros negros y la forma en que se originan. Más descubrimientos también ayudarán a los investigadores a utilizar ondas gravitacionales para poner a prueba la relatividad en ambientes extremos –posiblemente confirmando la teoría o incluso apuntando a una ley más profunda de la naturaleza–.

"Nuestra intención no era solo detectar la primera onda gravitacional o probar si Einstein estaba en lo cierto o no –era crear un observatorio–", dice la portavoz de LIGO Gabriela González, de la Universidad del Estado de Luisiana. "Ahora realmente podemos decir que el objetivo de LIGO se ha justificado". El descubrimiento, aceptado para su publicación en la revista Physical Review Letters, es la segunda detección sólida de LIGO; el equipo también encontró un evento "candidato" que era demasiado débil para confirmar, y lo había reportado en febrero junto con el primer hallazgo concluyente. El éxito de LIGO hasta ahora es una buena indicación de que será capaz de encontrar ondas gravitacionales a un ritmo constante. "Literalmente, nos permite explorar el lado oscuro del universo", dice el físico teórico Lawrence Krauss, de la Universidad Estatal de Arizona que no está involucrado en LIGO. "La astronomía de ondas gravitacionales se convertirá en la astronomía del siglo XXI".

Agujeros negros más pequeños

Las ondas gravitacionales recién descubiertas comenzaron hace alrededor de 1.400 millones de años, durante la fusión de dos negro agujeros –uno de aproximadamente 14 veces y el otro cerca de ocho veces la masa del Sol–, que lentamente habían dado vueltas cada vez más cerca el uno del otro y finalmente chocaron, según calculan los científicos. El choque produjo un nuevo agujero negro que contiene 21 veces la masa del Sol –la masa que falta de los agujeros negros originales se convierte en energía en forma de ondas gravitacionales–. Comparándola con la primera detección de LIGO, que venía de la colisión de dos agujeros negros más grandes (cada uno de aproximadamente 30 masas solares), esta fusión creó ondas gravitacionales de una frecuencia más alta que eran "visibles" más tiempo que las involucradas en el descubrimiento inicial. En ese caso, los científicos fueron testigos de solo una o dos órbitas de los agujeros negros alrededor el uno del otro, pero en este caso fueron capaces de rastrear las últimas 27 órbitas de los objetos antes de que se estrellaran. "Eso permite un mejor análisis de la relatividad general y una mejor caracterización de los parámetros de los agujeros negros", dice González.

Esta vez, los investigadores también fueron capaces de medir la velocidad de giro de los agujeros negros y descubrieron que al menos el más grande estaba sin duda dando vueltas, seguramente a un 20 por ciento de la velocidad máxima teórica de un agujero negro. "Con la primera detección parecía que los dos agujeros negros podrían no girar", dice Vicky Kalogera, miembro del equipo de LIGO de la Universidad Northwestern, "por lo que este es un nuevo hallazgo".

Las ondas gravitacionales anunciadas el miércoles alcanzaron LIGO el 26 de diciembre de 2015, poco menos de tres meses después de que el observatorio viera su primera señal el 14 de septiembre. LIGO usa dos detectores –uno en Luisiana y el otro en el estado de Washington–, para capturar la reducción y la expansión de el espacio-tiempo que se produce cuando una onda gravitacional pasa a través de la Tierra. Ambos detectores tienen forma de L gigantes con patas de cuatro kilómetros de largo. Los científicos usan espejos para hacer rebotar rayos láser hacia atrás y adelante a través de las patas y medir el tiempo que tarda en hacer el viaje. En circunstancias normales las dos patas tienen la misma longitud y los tiempos de viaje de los dos haces de luz son exactamente de la misma duración. Pero si pasa una onda gravitacional, el espacio entre los espejos se expandirá y contraerá milimétricamente en una dirección y brevemente las dos patas perpendiculares tendrán longitudes desiguales, haciendo que uno de los haces de láser llegue una fracción de segundo más tarde que el otro.

 

LIGO Avanzado ha hecho dos detecciones confirmadas de ondas gravitacionales y visto un evento candidato durante su ejecución inicial desde septiembre de 2015 hasta enero de 2016. Una segunda fase debería comenzar a finales de este año. Crédito: LIGO

El cambio es infinitesimal –LIGO debe ser capaz de medir una diferencia de longitud menor que una diezmilésima parte del diámetro de un protón con el fin de detectar las ondas–. El experimento de $1.000 millones, que ahora se llama oficialmente LIGO Avanzado, es una versión mejorada de un proyecto que ha estado proyectado desde la década de 1960 y fue puesto en marcha por primera vez en 2002. Su descubrimiento inicial a principios de este año electrificó la comunidad científica así como al público e hizo que los fundadores del experimento ganaran el Premio Kavli 2016 en Astrofísica y un Premio Breakthrough, así como muchos otros reconocimientos. Ha inspirado docenas de trabajos teóricos de seguimiento que analizan todos los aspectos del descubrimiento, desde la exploración de una posible conexión entre los agujeros negros y la materia oscura, a una discusión sobre si no eran agujeros negros en absoluto, sino agujeros de gusano. "El trabajo más interesante se realizó fuera de LIGO", dice el miembro del equipo de LIGO Szabolcs Márka de la Universidad de Columbia. "Así es como la ciencia debe funcionar".

Después del amanecer de la astronomía gravitacional

LIGO Avanzado ha completado ahora su fase inicial de observaciones, que fue de septiembre a enero. Sus detectores están actualmente desconectados para ser actualizados, y los científicos planean una prueba de funcionamiento en julio. Si eso va bien, una segunda fase de funcionamiento que duraría alrededor de seis meses podría comenzar a finales del verano. Mientras tanto, los investigadores continúan analizando los datos de la primera fase. Además de las colisiones de agujeros negros, los físicos esperan encontrar ondas gravitacionales producidas por estrellas de neutrones –las extremadamente pequeñas y densas ex-estrellas en las que todos los protones y los electrones han sido apiñados con tanta fuerza que esencialmente se unen para formar neutrones–. Si dos estrellas de neutrones chocaran, teóricamente desencadenarían ondas gravitacionales, que también podría resultar en una estrella de neutrones girando de manera un poco desigual, posiblemente con un bulto a un lado. "Eso no es un evento explosivo como la colisión de agujeros negros,  –produciría ondas gravitacionales mucho más débiles–", dice Laura Cadonati, física del Instituto de Tecnología Georgia, que preside el Consejo de Análisis de Datos de LIGO. "Eso es una búsqueda a largo plazo –necesita tiempo– que todavía está siendo dirigida".

A medida que el equipo reúne más datos, los investigadores esperan ser capaces de aprender más acerca de cómo se originan sistemas de agujeros negros binarios. Tal vez la mayoría provienen de estrellas que originalmente estaban emparejadas y luego murieron, convirtiéndose en agujeros negros que se quedaron orbitando uno alrededor del otro. Otro escenario sugiere que los binarios nacen en racimos estelares estrechos, cuando los agujeros negros que podrían haber empezado como estrellas individuales antes de morir quedan atrapados en la gravedad de los demás. "Este es mi interés principal –¿podemos decir cómo se forman en realidad estos agujeros negros binarios?", se pregunta Kalogera. "¿Es uno de estos mecanismos dominante o se trata más de una mezcla?"

Y cuantas más ondas gravitacionales encuentre LIGO, mejor podrá comprobar si las predicciones de la relatividad general parecen encajar. Aunque la mayoría de los científicos esperan que probablemente encajen –después de todo, la teoría ha pasado todas las pruebas lanzadas contra ella hasta ahora– a los físicos les gustaría ver algún tipo de desviación de la relatividad que apuntara a una verdad más sutil sobre el universo. Esta discrepancia podría proporcionar una pista que ayude a idear una teoría de la gravedad compatible con la mecánica cuántica, las reglas actuales del reino microscópico. "Hasta ahora no hemos encontrado inconsistencias en la relatividad general", dice Cadonati, "pero si empezamos a ver anomalías –que solo puede venir con grandes estadísticas– podemos empezar a explorar más allá de la relatividad general".

En cualquier caso, los científicos esperan que los dos primeros hallazgos de LIGO sean solo el comienzo de un largo y productivo futuro para el experimento. "Tres generaciones ya han trabajado en esto", dice Márka, "y habrá tres generaciones más por lo menos. Estamos solo a la mitad. ¿No es eso precioso?"