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Premio Nobel de Física: La nueva astronomía, la que escucha al universo

por 15 octubre, 2017

Premio Nobel de Física: La nueva astronomía, la que escucha al universo
Cuando Einstein propuso la existencia de las ondas gravitacionales no estaba seguro de si ellas tenían naturaleza física, o sólo eran un artefacto matemático. En efecto, no había certeza de si tales ondas transportaban energía. Hoy, gracias a un laboratorio, se comprobó su existencia. Una conversación con el astrónomo Álvaro Rojas.
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Sin duda el universo es una de las mayores cajas de pandora. Grandioso, interminable e indestructible, este gigante oscuro compuesto por innumerables galaxias con estrellas y planetas, entre ellos el nuestro, esconde los más grandes misterios que podamos siquiera imaginar.

En ese sentido, el estudio del espacio representa para la ciencia un verdadero desafío, el cual está lejos de ser fácil de afrontar, ya que las distancias y las escalas que se manejan para poder entenderlo son muy grandes, o muy pequeñas.

Albert Einstein fue uno de los más famosos científicos que trató de resolver parte de los misterios del universo por medio de sus estudios, los que desencadenaron en su más grande creación, la Teoría de la Relatividad General, publicada en 1915. Este nuevo paradigma causó una de las más grandes revoluciones científicas conocidas hasta la fecha.

Predicción

En el escrito, Einstein proponía una nueva manera de entender la gravedad, como una distorsión en el espacio-tiempo en torno de los objetos masivos. Al año siguiente, predijo la existencia de ondas gravitacionales, cambios en el espacio-tiempo, perturbaciones inducidas por violentas interacciones gravitacionales, como por ejemplo, la colisión y fusión de dos agujeros negros o la explosión de una supernova.

Alvaro Rojas.  Fotografía gentileza Revista Heureka

Sin embargo, cuando Einstein propuso la existencia de las ondas gravitacionales no estaba seguro de si ellas tenían naturaleza física, o  sólo  eran un artefacto matemático. En efecto, no había certeza de si tales ondas transportaban energía.

Aún así, nuevos cálculos llegaron a eventualmente a convencer a la comunidad científica alrededor de los años '50s de que este era el caso, y entonces eran una entidad física. Había llegado la hora de buscarlas. No obstante, por el tamaño tan pequeño de estas perturbaciones, Einstein afirmó que nunca podrían ser vistas, debido a que la capacidad técnica no estaría jamás a la altura para tal hazaña.

La aparición del LIGO

Los años pasaron –falsas alarmas y detecciones indirectas mediante– y a comienzos de 2016, por medio de una señal de televisión mundial, la National Science Foundation (NSF), algo así como Conicyt en Chile, dio la bienvenida al equipo del laboratorio Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, más conocido como LIGO.

En la ocasión los científicos anunciaron la primera detección directa de ondas gravitacionales en la historia. Lo predicho por Einstein, cien años antes, se había convertido en realidad, y fueron Reiner Weiss, Kip Thorne y Barry Barish quienes contribuyeron a afirmar sus predicciones.

Estos miembros de LIGO, líderes del estudio, fueron galardonados este mes con el premio Nobel de Física. ¿Los motivos? El enorme aporte en la astronomía y la física que este cambio de paradigma significó. En resumen, una nueva herramienta para medir sucesos en el universo.

Para entender mejor la relevancia del descubrimiento de las ondas gravitacionales, y en el marco de la adjudicación de este premio Nobel 2017, en Reflexión Héureka conversamos con Álvaro Rojas Arriagada, astrónomo e investigador del Instituto Milenio de Astrofísica en  la Pontificia Universidad Católica de Chile. 

Cambio de paradigma

- ¿Cómo cambia el estudio del universo luego de este hallazgo?

- El estudio del universo cambia y cambiará bastante en el futuro, ya que hasta el 14 de Septiembre del 2015, sólo se había demostrado de manera indirecta la existencia de ondas gravitacionales. Incluso el Premio Nobel de 1993 fue otorgado en razón de la primera de estas detecciones indirectas. En este sentido, somos testigos de un cambio de paradigma en torno al tema.

- ¿Cuál es el cambio?

- Por medio de este cambio, se abre una nueva ventana de información, ya que los astrónomos trabajamos mediante ondas electromagnéticas, fundamentalmente luz visible, pero también otras regiones del espectro electromagnético, como son los rayos X, radiación ultravioleta, infrarroja u ondas de radio. En ese sentido, nosotros no hacemos experimentos, a diferencia de por ejemplo los físicos, sino que observamos el universo, y la información que recibimos es primordialmente a través de fotones. A la vez, y durante el último siglo, también se comenzó a trabajar con los neutrinos. Estas pequeñas partículas subatómicas no tienen carga eléctrica, y se observaron primeramente en el sol, para luego comenzar a desarrollar investigación con ellos.

- ¿Qué son las ondas gravitacionales?

Algo totalmente diferente. No son ondas electromagnéticas ni partículas, sino pequeñísimas perturbaciones, temblores que se propagan en el espacio-tiempo a la velocidad de la luz. Ellas nos brindan información que de otra manera no podríamos tener, ya que existen fenómenos físicos que producen ondas gravitacionales pero no emiten luz, como por ejemplo, el colapso y la fusión de dos agujeros negros.

- Entiendo que esto último es clave.

- En este suceso –el cual por cierto desencadenó la primera detección de estas ondas por LIGO– dos objetos masivos acelerados al dar vueltas uno en torno al otro producen ondas y emiten mucha energía por lo que se acercan  más y más. Finalmente, colisionan y la frecuencia en que la que orbitan es tan grande, que se fusionan. El laboratorio detectó una señal de dos milésimas de segundo de duración. En ese último instante, la energía liberada fue tan grande que superó con creces a toda la radiación que producían las estrellas en todo el universo observable.

Obras maestra de la ingeniería

¿Son perceptibles estas ondas en nuestro cotidiano? ¿Podrían producir algún tipo de variación en la realidad?

El tamaño de la oscilación que llega la tierra y la energía que transporta, es muy pequeña. Un ejemplo de ello, es que la amplitud de las ondas que se detectaron en LIGO son tan pequeñas que corresponde a un  diez milésimo del tamaño de un protón. Esa es la cantidad por la que el espacio se deformó cuando la onda pasó por los detectores. Por ello, LIGO es una obra maestra de la ingeniería, ya que seguramente, es el instrumento más sensible y sofisticado que jamás se ha construido. Este detector es capaz de percibir tales variaciones en el espacio-tiempo por medio de cambios de longitud.

 ¿Cuál es el objetivo de LIGO?

El observatorio de ondas gravitatorias por interferometría láser (cuya sigla en inglés es LIGO), trata de medir el cambio en longitud que equivale a la fracción del diámetro de un protón. Es como tratar de determinar la distancia entre el sol y la estrella más cercana, pero con la precisión del ancho de un cabello humano.

Escuchar el universo

- ¿De qué se compone?

- Cuando las cosas son muy pequeñas es más fácil medir cambios relativos de longitud. LIGO se compone de dos secciones perpendiculares, y en cada uno de sus extremos, hay un espejo suspendido. También contiene un láser que apunta a esos espejos, de esa forma se refleja a través de otro  espejo, ahora semitransparente, una mitad del haz de luz al espejo que está perpendicular y deja que la otra mitad, pase al espejo que está en línea recta con el láser. Estos haces de luces, que rebotan por estos brazos varias veces, al salir, se recombinan.

- ¿Y qué revelan?

- Si los brazos no cambian de longitud, se cancelan los dos haces de luz incidentes y no se ve nada, pero cuando la longitud de uno de los brazos varía, las ondas se desfasan un poco y se comienzan a ver patrones de interferencia, expresados en destellos de luz. Lo que sucede cuando una onda gravitacional pasa por LIGO, es que mientras que el brazo que está perpendicular se estira el otro se contrae, esto se efectúa alternadamente. De esa manera, se detecta interferencia y se observa una luz que parpadea. Eso fue lo que detectó LIGO, el paso de una onda gravitacional.

- ¿Y eso a qué se debe?

- Esta interferencia se debe a los momentos finales de la colisión de dos agujeros negros. Cuando esta señal se detectó, varió entre los 30 y los 130 hertz, parte del rango auditivo humano. Si estas ondas, que son muy pequeñas y poco energéticas se pudiesen amplificar, podríamos  escucharlas. Por eso se dice que ahora podemos escuchar el universo.

¿Los astrónomos chilenos participarán en colaboración con LIGO para la investigación de estas ondas?

Hasta donde sé, no hay intentos de participar en la colaboración, ya que esto corresponde a una colaboración norteamericana. También existe VIRGO, otro instrumento de medición como LIGO, el cual está en Italia y pertenece a una red europea. De hecho, la última detección de ondas, que se hizo en agosto pasado, fue la primera detectada en conjunto entre ambos observatorios. Por el momento, se están construyendo otros observatorios en Japón y se espera, se construyan en India y Alemania.

- ¿Se está trabajando en conjunto?

- Se está generando una red de equipos en todo el mundo, y eso abre una ventana para una nueva rama de la astronomía, la astronomía de las ondas gravitacionales. La astronomía del futuro.

Para leer el artículo original de Revista Heureka pinche aquí.

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