Pese a haber predicho su existencia hace un siglo, Albert Einstein pensó que era muy poco probable que alguna vez pudieran detectarse ondas gravitacionales. Sin embargo, el proyecto internacional LIGO realizó por primera vez observaciones directas de ese fenómeno, algo que conmocionó al mundo científico. Por ese descubrimiento, la Real Academia de Ciencias Sueca acaba de otorgar el Premio Nobel en Física a tres de los científicos que impulsaron el proyecto. En esta nota, dos docentes del Balseiro explican el anuncio.
Fecha de publicación: 04/10/2017
Los físicos estadounidenses Reiner Weiss, Barry Barish y Kip Thorne recibieron esta semana (3 de octubre) el llamado telefónico más famoso del mundo de la ciencia, realizado desde Suecia. Así, se enteraron que Weiss, del MIT, recibió la mitad del Premio Nobel en Física de 2017, y sus dos colegas, de Caltech, la otra mitad (el premio consta de 1,1 millones de dólares). En 2016, el equipo del proyecto LIGO había anunciado la observación directa de ondas gravitacionales originadas por la fusión de dos agujeros negros. El descubrimiento fue, y es, toda una revolución en la astronomía y la astrofísica.
“El anuncio del premio Nobel no me sorprendió. La detección directa de ondas gravitacionales, confirmada en febrero de 2016, fue un descubrimiento importantísimo y merecedor de un premio Nobel. Era claro para la comunidad científica que tarde o temprano se lo otorgarían. Ya en 1993 hubo un premio Nobel por la detección indirecta de ondas gravitacionales, que había ocurrido en la década del 70”, opinó el profesor Diego Mazzitelli, físico del Centro Atómico Bariloche (CAB) y docente del Instituto Balseiro.
Su colega Diego Harari, que también trabaja en el grupo de Física de Partículas y Campos del CAB, coincidió en que este año el Premio Nobel en Física no fue una sorpresa. “Es un merecido reconocimiento a más de cuatro décadas de esfuerzo para lograr la primera detección directa de ondas gravitacionales. Cuando ese logro fue anunciado en febrero de 2016 tuvo tal impacto y repercusión que la única duda era si se lo reconocería con el Nobel ese mismo año o el siguiente, como finalmente sucedió. La academia sueca se tomó su tiempo”, dijo.
UN NUEVO CAMPO DE LA ASTRONOMÍA
Harari destacó que la observación del cielo durante siglos estuvo limitada a la luz “visible” emitida por las estrellas. Fue durante el siglo XX cuando a través de la invención de distintos tipos de telescopios comenzaron a detectarse otras señales electromagnéticas: ondas de radio, rayos X, rayos gamma y radiación infrarroja. “Éstas aportan información diferente o complementaria sobre los mecanismos físicos que actúan en diversos objetos celestes”, explicó Harari, que es investigador del Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET), y doctor en Física por la UBA.
Mazzitelli, que es doctor en Física (por el Instituto Balseiro) y también investigador del CONICET, remarcó que los primeros filósofos naturales observaban el firmamento a ojo desnudo. “A partir del desarrollo de los telescopios ópticos la situación cambió paulatinamente, desde el telescopio simple de Galileo hasta el telescopio espacial Hubble o los gigantescos telescopios reflectores terrestres. Pero la Tierra no sólo es irradiada por luz visible. Los astros emiten en todo el espectro electromagnético, desde ondas de radio hasta rayos X. Las imágenes del cielo en estas frecuencias extremas del espectro electromagnético dieron lugar a importantísimos descubrimientos”, dijo.
En el siglo XXI, más de 100 años después de que Albert Einstein hubiera predicho su existencia, los científicos coinciden en la idea generalizada de que las ondas gravitacionales abren una ventana totalmente nueva. “Permiten apreciar entre otras cosas la ‘danza final’ de estrellas binarias colapsando una sobre otra, incluso cuando los objetos que colisionan son agujeros negros, y no se emiten señales electromagnéticas. Podrían revelar también información sobre las épocas más primitivas del cosmos, como reliquias de la Gran Explosión que impulsa la expansión del Universo. Y seguramente nos enseñarán muchas cosas actualmente insospechadas”, destacó Harari.
QUÉ SON Y CÓMO LAS MIDIERON
Ahora bien, ¿qué son las ondas gravitacionales, dónde se originan y por qué costó tanto tiempo detectarlas? La teoría de la Relatividad General postulada por Albert Einstein hace un siglo establece que las ondas gravitacionales se generan a partir de distorsiones provocadas por cuerpos masivos en la curvatura del espacio-tiempo. Estas ondas viajan a la velocidad de la luz.
“Esta predicción de Einstein fue tomada con cierto escepticismo en su época, al punto que Sir Arthur Eddington, por otro lado un ferviente admirador de la teoría relativista, ironizaba que “las ondas gravitacionales se propagan a la velocidad del pensamiento”. El problema es que las distorsiones que provoca a su paso una onda gravitacional son minúsculas”, contó Harari.
Los detectores, llamados “interferómetros”, que son utilizados en el proyecto LIGO son versiones súper sensibles de un método postulado previamente (ver “Interferómetros kilométricos”). Reiner Weiss, Barry Barish y Kip Thorne recibieron el Premio Nobel en Física 2017 (Ron Drever, otro de sus idéologos, falleció en marzo de este año) por impulsar su construcción hace 50 años.
El desarrollo del experimento LIGO llevó cuatro décadas y se cristalizó en dos observatorios, cada uno con dos brazos que en sus extremos tienen gigantescos espejos separados a 4 kilómetros. Allí miden las distancias entre los espejos con láseres muy precisos. Un observatorio está ubicado en Livingston, Louisana, y el otro en Hanford, Washington, a tres mil kilómetros de distancia, ambos en los Estados Unidos. El Instituto de Tecnología de Massachussetts (MIT, por sus siglas en inglés) y el Instituto de Tecnología de California (Caltech) completan el cuadro del experimento, según informa el sitio web de LIGO (www.ligo.caltech.edu).
“Las ondas gravitacionales más intensas que llegan a la Tierra desde el espacio provocan un cambio de longitud de apenas la millonésima parte del tamaño del núcleo de un átomo en un objeto de un metro de largo”, explicó Diego Harari. En otras palabras, estas ondas generan minúsculas diferencias en las distancias entre objetos: estiran y comprimen todo lo que atraviesan. Y eso lo pueden medir con los observatorios LIGO. “Los efectos de las ondas gravitacionales son tan débiles que se necesitan instrumentos extremadamente precisos para detectarlas, empujando la ciencia y tecnología a sus límites”, agregó el docente del Balseiro.
En LIGO participan varios argentinos. La que se destacó por ser la vocera del anuncio realizado en 2016 de la observación pionera fue la doctora en Física Gabriela González. Ella es egresada de la Universidad Nacional de Córdoba (UNC) y casualmente está casada con un físico egresado del Instituto Balseiro, Jorge Pullin. Además de González, participan en LIGO Mario Díaz, también egresado de la UNC, y Carlos Lousto, egresado de la Universidad de Buenos Aires.
Así, más de 100 años después de la predicción de Einstein sobre las ondas gravitacionales, y a poco más de un año de su observación directa a través del experimento LIGO, la Real Academia de Ciencias Sueca rinde homenaje a este descubrimiento. Ahora bien, ante la consulta de si quedan muchas grandes preguntas y predicciones de la física teórica aun sin comprobar, Diego Mazzitelli reconoció que hay muchas. “En mi área de trabajo, una de las grandes preguntas es qué es lo que produce la aceleración actual del universo. Se le ha dado nombre de ‘energía oscura’ pero todavía no se ha establecido un mecanismo teórico razonable para explicarla”, dijo el físico.
Otra gran incógnita que los físicos tienen para responder tiene que ver con cuáles son las modificaciones a las leyes físicas conocidas a muy altas energías. Ese tipo de fenómenos se estudian en los grandes aceleradores de partículas, como el LHC o Gran Colisionador de Hadrones. Mazzitelli destacó que hay diversas propuestas teóricas: modelos de gran unificación, modelos que involucran la existencia de nuevas partículas aun no detectadas, como las teorías supersimétricas, pero aún no ha habido resultados experimentales que las confirmen o las refuten. Los físicos ya buscan nuevas respuestas. Y la cuenta regresiva para develar el gran misterio del premio nobel en Física de 2018 ya comenzó a correr.
SUBNOTA
INTERFERÓMETROS KILOMÉTRICOS*
¿En qué consisten los detectores llamados interferómetros que se utilizan para observar ondas gravitacionales? El experimento LIGO desarrolló una versión moderna del método interferométrico empleado por Michelson y Morley en 1879 para comprobar que la velocidad de la luz es la misma en la dirección de movimiento de la Tierra que en una dirección perpendicular, resultado experimental crucial para la teoría de la relatividad.
En LIGO, un espejo semitransparente actúa como divisor del haz de luz de un láser. Una parte del haz continúa su camino hasta reflejarse en un espejo. El otro haz sale del espejo semitransparente en dirección perpendicular, y se refleja en el otro espejo. Cuando ambos haces regresan al espejo semitransparente parte de ellos se transmite hasta un detector.
La intensidad de la luz que recibe el detector depende de las distancias entre el divisor del haz y ambos espejos. Si el largo de ambos brazos del interferómetro es idéntico, las ondas llegan en fase al detector, y cada haz refuerza al otro, aumentando la intensidad recibida. Si en cambio uno de los brazos fuera mayor que el otro y la diferencia fuera exactamente media longitud de onda, ambos haces llegan en contrafase, produciendo lo que se denomina interferencia destructiva, pues cuando una onda está en su cresta la otra está en su máxima depresión, y la intensidad resultante en el detector es nula.
Si una onda gravitacional atraviesa el instrumento, modifica la distancia entre los espejos de manera diferente en cada brazo, modulando la luz recibida por el detector en sintonía con las oscilaciones de la onda gravitacional.
Para que el detector sea suficientemente sensible los brazos del interferómetro deben ser lo más largos posible, el haz debe propagarse en un alto vacío, y los espejos y el sistema en su conjunto deben estar extremadamente aislados de cualquier tipo de movimiento.
LIGO consta de dos interferómetros con brazos de cuatro kilómetros de largo separados por una distancia de 3000 kilómetros en los Estados Unidos. La operación en coincidencia de detectores separados por grandes distancias permite asegurar que un registro se deba a una onda gravitacional que afectó ambos instrumentos, y no a efectos espurios. También opera en coincidencia con VIRGO, otro interferómetro con brazos de 3 kilómetros de largo ubicado en Italia.
Se ha conformado una red de múltiples observatorios astronómicos en el mundo que son alertados cuando LIGO detecta ondas gravitacionales, ya que la observación del fenómeno que las produjo mediante diferentes “mensajeros” aporta valiosa información complementaria. Particularmente si las ondas gravitacionales son emitidas por estrellas binarias muy compactas pero sin llegar a ser agujeros negros, que en ese caso emiten también copiosamente luz visible, ondas de radio, rayos X y gamma, y eventualmente rayos cósmicos y neutrinos.
Dentro de esa red participa el Observatorio Pierre Auger de rayos cósmicos de altísimas energías, ubicado en Malargüe, Mendoza (en el que participan varios investigadores del CAB-IB) buscando en este caso si se detectan en coincidencia neutrinos de la mayor energía. A este escenario también se le suma la novedad de que en Salta se ha instalado un telescopio robótico (TOROS), impulsado por Mario Díaz (Universidad de Texas) y Diego García Lambas (UNC) para el seguimiento de contrapartes ópticas de eventos detectados por LIGO.
*Extractado de Diego Harari, Diego Mazzitelli, “100 años de relatividad”, Colección Ciencia Joven, Eudeba (2007).
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San Carlos de Bariloche, 04/10/2017
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