Detección histórica de ondas gravitacionales

Los rumores se han confirmado. Por primera vez, los científicos han observado ondas gravitacionales, ondulaciones del espacio-tiempo que han llegando a la Tierra procedentes de un evento catastrófico en el distante universo. Esto confirma una importante predicción de la teoría de la relatividad general de Albert Einstein de 1915.

Las ondas gravitacionales fueron detectadas el 14 de septiembre de 2015 (a las 5:51h en la costa este de EE UU) por los dos detectores gemelos del Observatorio por Interferometría Láser de Ondas Gravitacionales (LIGO, por sus siglas en inglés), ubicados en Livingston (Louisiana) y Hanford (Washington, EE.UU).

Los físicos han llegado a la conclusión de que las ondas gravitacionales detectadas fueron producidas durante la última fracción de segundo de la fusión de dos agujeros negros para producir un solo agujero negro más masivo en rotación. Esta colisión había sido predicha pero nunca antes se había observado.

El evento catastrófico que produjo la denominada onda gravitacional GW150914, tuvo lugar en una galaxia lejana a más de mil millones de años luz de la Tierra. Fue observado el 14 de septiembre de 2015 por los dos detectores de LIGO, uno de los instrumentos científicos más sensibles jamás construido.

En dicha observación, se estimó que el pico de energía liberado en forma de ondas gravitacionales durante los momentos finales de la fusión de los agujeros negros fue diez veces mayor que la luminosidad combinada de todas las galaxias en el universo observable.

Según los descubridores y la comunidad científica internacional, este importante descubrimiento marca el inicio de una excitante nueva era en la astronomía y, al mismo tiempo, abre una ventana de observación al universo totalmente nueva en forma de ondas gravitacionales.

La onda gravitacional GW150914 procede de la fusión de dos agujeros negros. / LIGO

El descubrimiento ha sido aceptado para su publicación en la revista Physical Review Letters. La teoría de la relatividad general de Einstein, publicada por primera vez hace ya un siglo, fue descrita por el físico Max Born como “el mayor hito del pensamiento humano sobre la naturaleza”. En este artículo se describen dos descubrimientos de extrema relevancia científica ambos directamente relacionados con algunas de las predicciones más significativas de la teoría de Einstein: la primera detección directa en la Tierra de ondas gravitacionales y la primera observación de la colisión y fusión de una pareja de agujeros negros.

Las ondas gravitacionales son oscilaciones del espacio-tiempo originadas en algunos de los fenómenos más violentos del cosmos, como colisiones y fusiones de estrellas masivas compactas. Su existencia fue predicha por Einstein en el año 1916, cuando demostró que los objetos masivos acelerados debían distorsionar el espacio-tiempo en forma de radiación gravitacional que se alejaba de la fuente.

Estas oscilaciones viajan a través del universo a la velocidad de la luz, llevando consigo información sobre sus orígenes, así como inestimables pistas acerca de la naturaleza de la gravedad misma. Estas ondas proporcionan datos sobre los sus dramáticos orígenes y sobre la naturaleza de la gravedad que no puede obtenerse de otra manera.

En concreto, según los resultados, GW150914 se produjo por la fusión de dos agujeros negros con masas de aproximadamente 36 y 29 veces la masa del Sol respectivamente. El agujero negro remanente tendría una masa alrededor de 62 veces la del Sol y está rotando. Estos agujeros negros en rotación fueron formulados de manera teórica el año 1963 por el matemático Roy Kerr.

El evento GW150914 observado por los detectores de Hanford (izq.) y Livingston (der.). / LIGO

Los datos también indican que la ondas se originaron a una distancia de más de mil millones de años luz. Esto implica que los detectores de LIGO han observado un evento que ocurrió en un tiempo muy lejano y en una galaxia muy lejana.

Participación española desde la UIB

Los observatorios LIGO están financiados por la National Science Foundation (NSF), y fueron concebidos y construidos, y son operados por los institutos Caltech y MIT.El El Grupo de Relatividad y Gravitación (GRG) de la Universidad de las Islas Baleares (UIB) es el único en España que ha participado en este histórico éxito científico.

“Nuestra contribución ha sido relevante, en particular para la identificación y el cálculo de la potencia radiada por la fuente”, destaca a Sinc Alicia Sintes, miembro de este grupo, quien se declara emocionada tras haber dedicado 20 años de su vida a la caza de estas elusivas ondas. “El día que las descubrimos quedará marcado en mi memoria como el inicio de una nueva era en astronomía: la astronomía gravitacional, una herramienta que nos va a ayudar a desvelar muchos misterios del universo”.

En cualquier caso la investigadora reconoce las limitaciones respecto a la detección de otro tipo de ondas gravitacionales: “LIGO puede o puede que no vea la radiación de fondo proveniente del universo primitivo, aunque podrá refutar algunos modelos teóricos. Pero no podrá decir nada sobre modelos inflacionarios como los que predecía BICEP2. Para eso no tiene suficiente sensibilidad y le falta mucho!”.

Sintes adelanta que ahora “hay que seguir analizando cuidadosamente los datos de la segunda mitad de este primer periodo de observación para señales transitorias. En estos momentos se empiezan a estudiar los datos para otro tipo de señales, como por ejemplo estrellas de neutrones -en los que estamos implicados– y prepararlo todo para el segundo periodo o science run, que empezará después del verano y al que se sumará el observatorio Virgo. Empezamos a observar, o mejor dicho ‘escuchar’, algunos de los secretos del universo”.

Su compañero, Sascha Husa, también profesor de la UIB, ofrece una comparación para explicar cómo averiguan las propiedades de la señal y su origen: “La idea básica es muy similar a la de aplicaciones de teléfonos inteligentes para identificar música, como Shazam. Si escuchas una canción en un bar ruidoso, la aplicación puede consultar una base de datos de posibles señales, y usando algoritmos matemáticos para compensar el ruido, te dirá cuál se ajusta mejor. Mi trabajo consiste en hacer un catálogo de todas las posibles señales de ondas gravitacionales procedentes de la fusión de agujeros negros, para que los que analizan los datos puedan compararlas con las señales inmersas en ruido que son registrada por LIGO”.

¿Esta vez de verdad se han detectado ondas gravitacionales?

Respecto a la seguridad de que GW150914 sea un evento astrofísico real, y tras el fallido anuncio del descubrimiento de ondas gravitaciones primigenias por parte del equipo BICEP2 en 2014, los científicos de la UIB consideran que “sí”. Sin embargo, para resolver una cuestión tan crucial las colaboraciones LIGO y Virgo han realizado diversas pruebas independientes para confirmar la detección.

En primer lugar, la diferencia temporal entre las observaciones hechas en cada detector fue consistente con el tiempo de viaje de la luz entre los dos detectores. Además, las señales de Hanford y Livingston encontraron un patrón similar, además de ser en ambos lo suficientemente potentes como para destacar del 'ruido de fondo'. Esto equivaldría a poder entender una conversación por encima del murmullo general en una sala grande y concurrida.

Además, los interferómetros se monitorizan en tiempo real. Si en alguno de los canales aparece un problema, los datos recogidos por el detector se descartan, pero no fue el caso.

¿Y pudo ser GW150914 una fluctuación de ruido poco común, algo que ocurriera de forma azarosa y con características similares en los dos sitios? Para llevar a cabo el análisis estadístico se usaron los datos de 16 días del mes siguiente del evento. Aplicando desplazamientos artificiales y descartando falsas alarmas, se comprobó que GW150914 fue de lejos la señal más fuerte observada en ambos detectores durante ese periodo.

Un evento de ruido imitando GW150914 sería extremadamente inusual, con un ritmo de falsa alarma menor al de un suceso cada 200,000 años. Ese ritmo se traduce a la variable “sigma” utilizada por los científicos para medir la significancia estadística de una detección. Si es mayor de 5 sigma se considera un evento real, un verdadero descubrimiento, y con GW150914 se alcanzó una significación superior a 5,1 sigma.

El equipo considera que la primera detección directa de ondas gravitacionales y la primera observación de la fusión de un asistema binario de agujeros negros son logros muy destacables, pero solo representan la primera página en un nuevo y excitante capítulo de la astronomía.

Proyectos futuros contemplan mejoras en los detectores de Advanced LIGO, y la extensión de la red global de detectores al incluir a Advanced Virgo, KAGRA, y un posible tercer detector de LIGO en India, lo que mejorará significativamente su habilidad de localizar posiciones de fuentes de ondas gravitacionales en el cielo y estimar sus propiedad físicas. La detección de ondas gravitacionales abre un nuevo capítulo en la astronomía.