21 de febrero de 2016

Ondas gravitatorias, ¡otro gran éxito de Einstein!

Einstein, al igual que el Cid, sigue ganando batallas después de muerto. Impresiona que él solito desarrollase una teoría como la Teoría General de la Relatividad (TGR) que haya hecho predicciones que, hasta ahora, siempre se han cumplido. Hace unos años la comunidad científica se revolvió porque alguien afirmó que había medido desplazamientos de unas partículas llamadas neutrinos a velocidades superiores a las de la luz cosa que, según la TGR es imposible. Los periodistas se dispararon con titulares sensacionalistas del estilo de “Einstein estaba equivocado. Científicos demuestran que hay partículas que viajen más rápido que la luz”. La comunidad científica se mostró extremadamente cautelosa. Muchos científicos se dedicaron a intentar replicar los resultados de los primeros. Éstos mismos volvieron a revisar sus experimentos y sus cálculos y, al cabo de unos meses, con fair play propio de los científicos, reconocieron que se habían equivocado y que Einstein, al menos de momento, seguía teniendo razón.

La TGR establece que las masas de los cuerpos físicos deforman el espacio-tiempo y que es esa deformación lo que hace que éstos se atraigan. Es, en una comparación bastante burda, como si ponemos en una cama elástica una pesada esfera de plomo. La goma se deforma en una especie de hondonada y si ponemos cerca una canica, ésta cae hacia la bola de plomo. Pues bien, en 1916, justo después de enunciar la TGR, Einstein extrajo de ella una consecuencia bastante razonable. Si la bola de plomo está quieta, la membrana también lo está, pero si la bola de plomo se moviese de su sitio, la forma de la membrana cambiaría y esas perturbaciones se transmitirían a través por ella en forma de ondas, de la misma manera que si una piedra cae en un estanque, la superficie del agua forma ondas. Pues, de la mima manera, dedujo Einstein, si una masa se mueve en el espacio-tiempo, se tendrían que propagar por el mismo, a la velocidad de la luz, un tipo de indas que podrían llamarse gravitatorias. Y esas ondas serán tanto más grandes cuanto mayor sea la masa que se mueve, cuanto más deprisa lo haga y cuanto más cerca nos encontremos de ella. Pero una cosa son las analogías y otra las matemáticas de las ecuaciones de la TGR. Einstein intentó deducir las ondas gravitatorias de esas ecuaciones y, tras un cierto tiempo, al no encontrar la solución, decidió que, por muy intuitivas que fuesen, las ondas gravitatorias no existían. Tardó veinte años en desechar del todo la idea, pero cuando al final llegó a esa conclusión, escribió, en 1936, un artículo para la Physical Review en el que las negaba y escribió una carta a su amigo y colega Max Born en el mismo sentido. La historia de ese artículo, que nunca vio la luz, es curiosa. Physical Review, como era costumbre en EEUU, pero no en Alemania, mandó el artículo a un evaluador anónimo. Éste encontró un error en el artículo y se lo dijo al editor que, a su vez, le reenvió la respuesta a Einstein. Éste había llegado de Alemania a los EEUU en diciembre de 1932 y todavía no estaba acostumbrado a los usos editoriales en su nuevo país. Por eso se indignó de que se hubiese pedido una revisión de su artículo sin su autorización y lo retiró, al parecer sin leer lo que el revisor había escrito, y mandó el artículo a otra revista, el Journal of the Franklin Institute. Pero el evaluador, que resultó ser nada menos que el prestigioso cosmólogo Howard Percy Robertson, se puso en contacto con Einstein, le explicó la causa de su error y le puso sobre la pista de la solución. Inmediatamente Einstein retiró el artículo de esta segunda revista, lo corrigió, y volvió a mandarlo a Journal. Nunca más mandó un artículo a Physical Review, a pesar de que le salvó del ridículo. A veces los genios tienen un amor propio endemoniado.

Sea como fuere, desde entonces se ha estado intentando, por diversos métodos, detectar empíricamente las ondas gravitatorias. En 1984 se empezó a construir el Observatorio de Ondas Gravitatorias por Interferometría Laser (LIGO por sus siglas en inglés Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory). LIGO consta de dos instalaciones semejantes, una en Livingston, Louisiana, en el sudeste de los EEUU y otra en Hanford, Washington State, en el Noroeste de los EEUU. Cada una de ellas consta de dos brazos rectos, perpendiculares y exactamente iguales, de 4 Km cada uno el de Livigstone y de 2 Km cada uno el de Hanford. Al final de cada brazo hay unos espejos. Desde el punto común de ambos se lanzan hacia los extremos unos rayos de luz laser. Al ser los dos brazos exactamente iguales, cuando esos rayos vuelven al punto de encuentro tras rebotar en los espejos, las ondas electromagnéticas del láser están en la misma fase. Pero si uno de los brazos fuese un poco más largo que otro, cuando volviesen los rayos laser, sus ondas ya no estarían en la misma fase. Las ondas gravitatorias tienen la propiedad de que cuando pasan deforman el espacio-tiempo, acortándolo en una dirección y alargándolo en la dirección perpendicular. Por lo tanto, si una onda gravitatoria pasase por una de las instalaciones, alargaría uno de los brazos y acortaría el otro y haría que los rayos laser no estuviesen en la misma fase al volver al punto de partida. Si esto pasa en una de las instalaciones, pero no pasa en la otra con un decalaje en el tiempo, la cosa se debería a alguna perturbación local en una de las instalaciones. Pero si se detecta en las dos con cierta diferencia de tiempo, no cabe duda de que es un fenómeno que viene de fuera. Es decir, serían, sin lugar a dudas, ondas gravitatorias. Precisamente esa diferencia temporal permite, además, saber la dirección de la que provienen las éstas, y rastrear el cielo por otros sistemas para buscar el fenómeno que las produjo.

LIGO costó 365 millones de dólares y estuvo en funcionamiento desde 2004 hasta 2010 sin encontrar absolutamente nada. En este último año se desmontaron las instalaciones para mejorarlas y darles una precisión cuatro veces mayor que en el proyecto inicial. En su nueva versión LIGO puede detectar diferencias de longitud en los brazos del orden de la centésima parte del tamaño de un protón[1].

El problema con las ondas gravitatorias es que son de una amplitud mínima. Para que sean apreciables tienen que ser causadas por masas gigantescas a nivel cósmico, que además se muevan a velocidades impensables. Hace años se descubrieron radiaciones electromagnéticas de rayos gamma que sólo podían estar causadas por la fusión de dos agujeros negros rotando uno alrededor del otro mientras sus órbitas se iban haciendo cada vez más pequeñas hasta que ambos chocaban y se fundían en uno solo produciendo la energía de mil millones de billones (1021 un 1 seguido de 21 ceros) de veces la energía del Sol, en una fracción de segundo. Esto produciría gigantescas ondas gravitatorias. Pero, el problema es que esos choques no se producen ahora. Se produjeron cuando el universo era mucho más joven, hace varios miles de millones de años. Las ondas de algunas de las colisiones que se produjeron entonces están llegando a nosotros ahora. Pero, claro, estas colisiones estaban también a miles de millones de años-luz de distancia, por lo que a nosotros nos llegan enormemente debilitadas. De ahí que LIGO tenga que tener esa espectacular precisión.

Pero la paciencia de veinte años de construcción, seis de funcionamiento sin resultados y cinco de desmontaje, perfeccionamiento y montaje ha dado frutos. Advanced LIGO (así se llamó a la nueva versión) se terminó de montar en Febrero de 2015 y, tras su calibración, entró en funcionamiento en Septiembre de 2015 y, nada más hacerlo… ¡bingo! A las 4 de la madrugada del 14 de Septiembre de 2015, los brazos de la instalación de Livingstone mostraron una diferencia de 4 centésimas partes del diámetro de un protón, lo que podría ser causado por las primeras ondas gravitatorias detectadas en la historia. Siete milisegundos más tarde, se detectó el mismo desplazamiento en  los brazo de la instalación de Harford. Las probabilidades de que semejante coincidencia ocurriese por azar eran absolutamente despreciables. Además, en los siguientes meses, hasta Enero de 2016 en que acabó la serie de experimentos de LIGO, se detectaron otras cuatro deformaciones más débiles. No obstante, los científicos del proyecto se tomaron su tiempo para comprobar todas las posibilidades habidas y por haber para descartar errores. No querían caer en uno tan garrafal como en el que cometieron en 2014 otro grupo de científicos que dijeron que habían detectado ondas gravitatorias provenientes del Big Bang, para después tener que reconocer que había sido un error. Además, el grupo de LIGO se dedicó a ver si esa desviación estaba de acuerdo con las predicciones de la TGR. Y lo estaban. Por eso, el pasado jueves, 11 de Febrero de 2016, se decidieron a dar la primicia al mundo de que las ondas gravitatorias habían sido, por fin, descubiertas y que correspondían a la fusión de dos agujeros negros situados a una distancia de 1500 millones de años luz de la Tierra.

Y, ¿en qué puede cambiar esto nuestra percepción del universo aparte de que se demuestre que Einstein tenía, una vez más, razón? A corto plazo en nada. Este descubrimiento no cambia, en sí mismo, absolutamente nada de nuestro conocimiento del universo. Pero es seguro que sí lo cambiará en los próximos decenios. Porque este descubrimiento abre un nuevo sentido astronómico para explorar el cosmos. Hasta ahora, todos los instrumentos de observación estaban basados en la captación de ondas electromagnéticas. Al principio los telescopios sólo veían la luz visible que llegaba de las estrellas y galaxias. Pero una enorme cantidad de esa luz no llegaba hasta nosotros, porque tenía que atravesar partes del universo que no eran transparentes para ella. Por eso se inventaron telescopios que eran capaces de “ver” ondas electromagnéticas en otras longitudes de onda[2]. Así aparecieron conceptos como la radioastronomía y otros similares. Pero las ondas gravitatorias no son ondas electromagnéticas. Son otra cosa. Es como si, de repente, el ser humano hubiese sido sordo y, de repente, hubiese descubierto que si se quitase unos tapones de cera de los oídos sería capaz de oír. ¿Cambiaría instantáneamente nuestra visión del mundo? No. Pero se abrirían ante nosotros unas enormes perspectivas de descubrir cosas del mundo que no siquiera podíamos sospechar. Sería algo verdaderamente grandioso, ¿no? De hecho, con una visión mediática asombrosa, los descubridores de estas ondas han hecho esta similitud, han transformado las indas gravitatorias en ondas sonoras y han grabado el sonido del universo. No sé si a lo que han grabado se le puede llamar música, pero, para mí es, sin duda, música intelectual. Oigámoslo. Para ello,  pinchar aquí.

Al oír esto, se me vienen a la cabeza dos cosas. La primera es el titular del New York Times cuando Arno Penzias y Robert Wilson descubrieron, ayudados por los científicos de Princeton, la radiación de fondo de microondas o radiación cósmica de fondo. El titular dijo: “Ingenieros de ATT (eso eran Penzias y Wilson) y científicos de la Universidad de Princeton han escuchado el llanto del universo al nacer”. Ese “llanto”, la radiación de fondo de microondas ha sido, está siendo y será durante muchos años una fuente inmensa de conocimiento del universo. Gracias a ella se ha podido afirmar, casi sin lugar a dudas, la existencia del Bog Bang y, también gracias a ella, se ha podido elaborar la teoría de la inflación cósmica. Probablemente estos dos descubrimientos estén entre los pop five de los descubrimientos científicos.

La segunda cosa que se me ha venido a la cabeza al oír esto es la maravillosa elucubración de Kepler cuando descubrió las órbitas elípticas de los cinco planetas entonces conocidos (además de la Tierra). Como la distancia al sol era diferente en un lado y otro de la órbita, encontró una relación entre las distancias de los planetas al Sol en un extremo y otro que reconstruía la escala pentatónica en tono mayor y menor según que extremo se tomase, definió esto como la armonía del mundo y ese fue el título que puso a su obra en la que se describen las que hoy en día se conocen como las tres leyes de Kepler. El hecho de que al refinarse las medidas esta relación resultase falsa (las leyes de Kepler siguen siendo válidas) no le quita ni un ápice de poesía al “descubrimiento” de Kepler.

Bien y, aparte de recuerdos poéticos, ¿qué más puede aportar al  conocimiento del cosmos este nuevo “sentido del oído”? De momento poco, porque el “sonido” de las ondas gravitatorias es tan débil que apenas sirve para nada. Pero ya está en marcha un proyecto que nos quitará mucha más cera de los oídos y nos permitirá “escuchar” nítidamente secretos del universo que son apenas susurros. Me refiero al proyecto eLISA (evolved Laser Interferometer Space Antenna. Ignoro por qué la e es minúscula, sería más bonito ELISA y me recordaría a la famosa obra para pieno de Beethoven, pero…). Este proyecto, auspiciado por la ESA (European Space Agency), que se espera que esté operativo en 2034, pretende poner en una órbita estable tres satélites formando un triángulo equilátero de cinco millones de kilómetros de lado, manteniendo la distancia entre ellos con una precisión tal que no se desvíen más que el tamaño de un átomo de hidrógeno. Si LIGO, con brazos de 4 y 2 Km ha conseguido detectar ondas gravitatorias, imagínese lo que podría lograrse con un instrumento cósmico así. Podrían detectarse ondas gravitatorias de eventos mucho más modestos y, por tanto más corrientes o de eventos muchísimo más lejanos. En concreto, tal vez pudiesen captarse las ondas gravitatorias del Big Bang, ocurrido hace unos 15.000 millones de años. Lo más de “cerca” que se ha podido observar del Big Bang con los instrumentos de ondas electromagnéticas ha sido la formación de la radiación de fondo de microondas, ocurrida 380.000 años después del mismo Parece que el universo tiene unos 15.000 millones de años de vida, por lo que la radiación de fondo de microondas se produjo en una escala de diecisiete horas si lo comparamos con la vida de 80 años de un ser humano. Hasta esa fecha, la materia estaba ionizada y era opaca para cualquier tipo de ondas electromagnéticas. Sólo cuando se hizo tranparente apareció una imagen electromagnética que pudiera ser captada. Sin embargo, el universo ha sido transparente para las ondas gravitatorias desde el principio. Parece que 17 horas en la vida de un ser humano es muy poco, pero en ellas pueden pasar cosas decisivas para él. Por eso sería bueno saber qué pasó en el universo en sus primeros 380.000 años. Y con un detector de ondas gravitatorias suficientemente potente –y eLISA seguramente lo sea–  podremos escuchar, de verdad, el llanto del universo en el mismo momento del parto y analizar con ese sentido del “oído” explosiones de supernovas o estudiar la materia oscura o... pero lo realmente excitante de lo que se pueda “escuchar” con eLISA es lo que no podemos siquiera sospechar.

Si alguien quiere ver en animación cómo es eso de los agujeros negros fundiéndose y visualizar el proyecto LIGO, o una explicación de las ondas gravitatorias con una toalla, puede hacerlo en estos links:




Pero antes de lanzar los tres satélites que formen ese gigantesco triángulo hay cuestiones tecnológicas que hay que solucionar. Para ello, y a modo de prueba, el 3 diciembre 2015 la ESA lanzó el satélite LISA Pathfinder. Lo que se pretende con él es situar en un punto llamado de Lagrange[3] a 1,5 millones de kilómetros de la tierra, dos cubos de oro y platino de 4,5 cm de lado y 2 Kg de peso cada una, situados a 38 cm de distancia entre sí, sin que esta distancia varíe en más del diámetro de un protón durante seis meses. Si se consigue, es espera que los tres vértices del triángulo de eLISA, situados cada uno de ellos en un punto de Lagrange diferente, puedan mantenerse a una distancia prácticamente inmutable. Al mismo tiempo, se probarán distintos instrumentos de medida. El 23 de Febrero empezará el experimento y, si tiene éxito será el banderazo de salida para que en 2034 esté operativo el detector cósmico de ondas gravitatorias eLISA.

LISA Pathfinder ha tenido un coste de 430 millones de € y es imposible saber, de momento, cuál será el coste total de eLISA. Como siempre, habrá quien se pregunte: ¿Merecen la pena los 365 millones de dólares de LIGO, los 430 millones de euros de LISA Pathfinder más lo que se hayan gastado en proyectos similares como el VIRGO italo-francés, el TAMA japonés o el GEO alemán, teniendo en cuenta las dificultades económicas por las que pasa el mundo y la gente que pasa hambre en él? Mi respuesta es categórica: SÍ MERECE LA PENA. Y ello por dos motivos de los que no diré cuál es más importante porque los dos lo son y mucho.

El primero porque estos proyectos son un tremendo incentivo para desarrollar tecnologías que, más bien pronto que tarde, acabarán contribuyendo, por caminos imposibles de definir ahora, a la prosperidad del mundo para todos, ricos y pobres, saciados y hambrientos. Más aún, las tecnologías emergentes puede ser que lo que permitan es la supervivencia de la especie humana, ya que sólo con la tecnología se podrá esquivar el dilema del crecimiento económico de todos los países, el crecimiento demográfico y la viabilidad ecológica de la Tierra como hogar de la humanidad.

El segundo, porque con estos proyectos nos acercamos un poquito más a poder responder a las grandes preguntas que los seres humanos nos hemos hecho desde que existimos. Aunque suenen a tópico, siguen siendo: ¿Quiénes somos? ¿De dónde venimos? ¿Qué va a ser de nosotros? Para ilustrar esto, quisiera dejar la palabra al propio Einstein citando algunas frases suyas:

“La función más importante del arte y la ciencia es despertar el sentido de religiosidad cósmica en quienes lo buscan”.

“La experiencia más bella que podemos tener es sentir el misterio [...] En esa emoción fundamental se han basado el verdadero arte y la verdadera ciencia [...] Esa experiencia engendró también la religión [...] percibir que tras lo que podemos experimentar se oculta algo inalcanzable a nuestro espíritu, la razón más profunda y la belleza más radical, que sólo son accesibles de modo indirecto. Ese conocimiento y esa emoción es la verdadera religiosidad”.

“... como un niño que entra en una biblioteca inmensa cuyas paredes están cubiertas de libros escritos en muchas lenguas distintas. Entiende que alguien ha de haberlos escrito, pero no sabe ni quién ni cómo. Tampoco comprende los idiomas. Pero observa un orden claro en su clasificación, un plan misterioso que se le escapa, pero que sospecha vagamente. Esa es, en mi opinión, la actitud de la mente humana frente a Dios, incluso la de las personas más inteligentes”.

Porque las tres preguntas anteriores, las que de verdad importan al ser humano, sólo pueden responderse desde la trascendencia y la ciencia es una de las maneras por las que la inteligencia humana puede, si quiere, asomarse a la trascendencia. Esa búsqueda es la que nos diferencia de los animales.

Es difícil pensar que detrás de un universo capaz de mandarnos señales inteligibles para nuestra inteligencia, no se encuentre una INTELIGENCIA sino únicamente el azar. El propio Einstein también decía:

“Si hay algo que me llene de asombro es que la realidad responda a unas leyes que la hagan inteligible”.

A mí también esto me llena de asombro. Y, para acabar, quiero decir, con el libro de los Salmos lo que me dice este hallazgo:

“Los cielos proclaman la gloria de Dios,
el firmamento pregona la obra de sus manos;
el día al día le comunica el pregón,
la noche a la noche le transmite la noticia.
No es un pregón, no son palabras,
no es una voz que se pueda escuchar,
mas por toda la Tierra se extiende su eco,
y hasta el confín del mundo su mensaje”. (Salmo 19 (18))



[1] El protón tiene un diámetro del orden de 10-15 metros. Esta cantidad sería a un meto como un grano de arena al tamaño de la órbita de la tierra alrededor del Sol que es de 150 Millones de Kilómetros.
[2] La luz visible es una radiación electromagnética como lo son los rayos infrarrojos, los ultravioletas, las ondas de radio, las microondas, los rayos X o los Gamma. En lo único que difieren es en su longitud de onda. La idea de que la luz es distinta es únicamente una impresión antropocéntrica, porque el ojo humano es capaz de captarla, mientras que otras longitudes de onda no pueden captarse por el sentido de la vista.
[3] Los puntos de Lagrange son unas posiciones entre la Tierra y el Sol, donde lo que allí se encuentre mantiene una posición fija respecto a ambos cuerpos.