ONDAS GRAVITACIONALES: Transformadoras de nuestro universo

Hace unos 1300 millones de años, cuando los organismos multicelulares apenas comenzaban a surgir en la Tierra y la vida aún se limitaba a los océanos, dos gigantescos agujeros negros colisionaron en una galaxia muy lejana. La colisión fue tan poderosa que sacudió el universo, creando una onda en el tejido del espacio-tiempo que viajó por el cosmos a la velocidad de la luz. A las 5:51 am EDT del 14 de septiembre del 2015, esa onda expansiva llegó a la Tierra. Para entonces, la onda se había diluido tanto que apenas era detectable. El detector LIGO (Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferometría Láser) en Livingston, Luisiana, la registró primero: un pequeño chirrido al pasar la distorsión. Siete milisegundos después, la onda llegó al otro detector LIGO en Hanford, Washington, que también la captó. La diminuta señal, ahora denominada GW150914 por su detección el día 14 del noveno mes del 2015, duró apenas una fracción de segundo. Pero tuvo un impacto enorme en la ciencia. El descubrimiento abrió una rama completamente nueva de la astronomía. Ahora, mientras otros telescopios observan el espacio, los observatorios de ondas gravitacionales también lo detectan. En la década transcurrida desde su detección original, la astronomía de ondas gravitacionales se ha convertido en una herramienta de precisión para el estudio de agujeros negros, estrellas de neutrones, la evolución estelar y la expansión del universo. Con el aumento exponencial de las detecciones, los astrónomos están pasando de intentar comprender señales dispersas a utilizarlas para obtener datos demográficos cósmicos completos. Y la próxima generación de detectores podría ser tan sensible que captará ecos desde los albores del cosmos. Los científicos llevaban esperando la primera señal de ondas gravitacionales desde que se predijo su existencia un siglo antes. En efecto, en 1905 se introdujo el concepto del tejido del espacio-tiempo, demostrando matemáticamente que el espacio y el tiempo no son parámetros separados del universo, sino que están entrelazados. En 1915, añadió la gravedad a la ecuación, explicando que es el resultado de la curvatura del espacio-tiempo en presencia de masa. Esta última teoría, denominada relatividad general, predecía que los objetos masivos en aceleración, como dos objetos pesados en una órbita binaria cercana, crearían perturbaciones en el espacio-tiempo - ondas gravitacionales - que se propagarían por el cosmos. Cuando LIGO registró su primera detección de ondas gravitacionales pasado cien años, la evidencia que respaldaba la teoría de la relatividad general ya estaba bien establecida. Sin embargo, la detección significó que superó la prueba en el régimen más extremo jamás observado, afianzando aún más nuestra convicción de que la teoría describe la gravedad con precisión. Tras décadas de planificación y anticipación, los científicos quedaron asombrados por la rapidez con la que la instalación realizó su primera detección: LIGO había comenzado su primera fase de observación tan solo dos días antes del descubrimiento. “Nadie esperaba una detección inmediata”, afirma Laura Cadonati, profesora de física en el Instituto Tecnológico de Georgia, quien participa en la Colaboración Científica LIGO desde 2002. “Fue una señal tan perfecta e inesperada que todos estábamos incrédulos”. Al igual que los agujeros negros, las estrellas de neutrones se forman en las supernovas que ocurren cuando mueren estrellas masivas. Estas esferas del tamaño de una ciudad concentran más masa que el Sol, comprimiendo la materia mucho más de lo que podemos hacerlo en los laboratorios terrestres. Cuando dos agujeros negros colisionan, simplemente se fusionan; su gravedad implacable mantiene el proceso muy ordenado. Pero cuando colisionan estrellas de neutrones, pueden expulsar escombros calientes que producen un espectáculo de luz cósmica detectable desde la Tierra si los fuegos artificiales se dirigen hacia nosotros. En los días y semanas siguientes, telescopios de rayos X, ultravioleta, infrarrojo y radiotelescopios observaron el resplandor residual que se desvanecía. Durante años, los radiotelescopios continuaron monitoreando un chorro de material que se alejaba de la colisión a más del 97 % de la velocidad de la luz mientras impactaba contra el material circundante. Denominado GW170817, este fue el primer evento de ondas gravitacionales multimensajero completo, detectado tanto en luz como en ondas gravitacionales. Gracias a este descubrimiento, los científicos confirmaron que las fusiones de estrellas de neutrones producen estallidos de rayos gamma y elementos pesados, y pusieron a prueba los modelos de kilonova existentes (que resultaron válidos, ya que la observación coincidió con lo esperado). Incluso ofreció indicios sobre los núcleos ultradensos de las estrellas de neutrones, donde la materia se encuentra más compacta que en el núcleo de un átomo. Sin la detección de ondas gravitacionales de LIGO, nada de esto habría sido posible; probablemente ni siquiera habríamos podido identificar el evento como una fusión de estrellas de neutrones. Desde entonces no se ha registrado ningún evento de ondas gravitacionales multimensajero igualmente rico, pero sí se ha producido una explosión en las detecciones. LIGO y Virgo se han actualizado, y el detector de ondas gravitacionales Kamioka de Japón (KAGRA, por sus siglas en inglés) entró en funcionamiento en el 2020. En conjunto, los tres han registrado cientos de detecciones: más fusiones de estrellas de neutrones, sistemas binarios de agujeros negros e incluso colisiones mixtas de agujeros negros y estrellas de neutrones. Por cierto, las ondulaciones del espacio-tiempo también están dando pistas a los astrónomos sobre algunos de los objetos más extraños del universo: las estrellas de neutrones. Las ondas gravitacionales han proporcionado nuevos e interesantes datos sobre la física nuclear extrema que tiene lugar en el interior de estos remanentes estelares. Cuando dos estrellas de neutrones colisionan, el objeto resultante puede oscilar ligeramente antes de colapsar y formar un agujero negro. Estas vibraciones generan frecuencias características directamente relacionadas con las propiedades internas de las estrellas. Cabe precisar que los próximos detectores podrían revolucionar el campo. La Agencia Espacial Europea (ESA) pondrá en órbita por primera vez un detector de ondas gravitacionales. Denominado Antena Espacial de Interferometría Láser (LISA) y con lanzamiento previsto para el 2035, se espera que esta misión detecte más de 10 000 eventos de ondas gravitacionales. Entre los proyectos que le darán seguimiento estará el observatorio de ondas gravitacionales Cosmic Explorer, con sede en Estados Unidos, que actualmente se encuentra en la fase de diseño y planificación. Operará a frecuencias mucho más altas que LISA, apuntando a fusiones rápidas de objetos de masa estelar como estrellas de neutrones y agujeros negros, en lugar de los sistemas masivos y lentos y las señales de fondo del universo primitivo que detectará LISA. En conjunto, la próxima generación de detectores nos permitirá pasar de cientos a millones de detecciones de ondas gravitacionales. Su estudio podría ayudar a los astrónomos a rastrear la evolución de los agujeros negros, resolver inconsistencias en las mediciones actuales de la tasa de expansión del universo y revelar ecos del universo primitivo. A medida que la astronomía de ondas gravitacionales alcanza su madurez, los descubrimientos más importantes aún están por llegar.