Los físicos han sido capaces de detectar una onda gravitacional, una distorsión del espacio-tiempo predicha por Einstein, por cuarta vez. El hallazgo, publicado este miércoles en Physical Review Letters, no solo consolida una nueva era de exploración basada en estas ondas, sino que pasará a la historia por ser el primero logrado gracias a la actividad conjunta del detector de ondas gravitacionales de Estados Unidos (LIGO, «Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory») y su contraparte europea, (Virgo).

La detección se produjo el 14 de agosto cuando los dos observatorios estadounidenses (situados en Livingstone, Luisiana, y Hanford, en Washington) junto con el europeo, (localizado en Cascina, Italia), detectaron una fuente, conocida como «GW170814», que han relacionado con la fusión de dos agujeros negros. Uno tendría 31 masas solares y el otro 25 y ambos estarían a una distancia de la Tierra de 1.800 millones de años luz. Después de la fusión, y según los cálculos de los científicos, el agujero negro resultante adquirió una masa de 53 soles y el resto se transformó en energía emitida en forma de ondas gravitacionales.

«La incorporación de Virgo nos ha dado un montón de datos útiles», ha explicado en un comunicado de la Universidad de Glasgow John Veitch, coautor del hallazgo. «Tener un tercer detector significa que podemos triangular la posición de la fuente, y determinar con mucha mayor precisión el punto exacto del Universo desde donde llega la señal».

De hecho, gracias a la participación del observatorio europeo, en el que recientemente comenzó a funcionar una importante ampliación técnica conocida como «Advanced Virgo», los científicos han podido multiplicar por diez la precisión con la que se ha situado.

Perturbaciones del espacio-tiempo

Desde el primer hallazgo de ondas gravitacionales, en septiembre de 2015, el observatorio LIGO ha detectado estas formas de energía en tres ocasiones. Tanto Ligo como Virgo son capaces de detectarlas gracias a una tecnología conocida como interferometría y que, fundamentalmente, permite medir distancias con una increíble precisión gracias a un sistema de rayos láser. Gracias a esta capacidad, es posible localizar las distorsiones del espacio-tiempo generadas por las ondas gravitacionales.

Estas distorsiones están provocadas por objetos muy masivos que giran a altas velocidades. De forma parecida a las ondas que aparecen en un estanque cuando se arroja una piedra, los objetos muy masivos generan unas ondas que viajan por el espacio a la velocidad de la luz y que pueden ser detectadas en la Tierra.

Tal como ha explicado John Veitch, la detección requiere varias fases de análisis. La primera tarea es filtrar y comparar los datos de los instrumentos para distinguir las detecciones reales de las que no lo son. Y, una vez que se encuentra una coincidencia, los análisis de datos se centran en determinar la masa y la posición de la fuente y luego compartirla con científicos de todo el mundo.

Inversiones multimillonarias

Esta tarea es extremadamente compleja y, por ello, requiere un importante despliegue. Detrás de Virgo hay 20 laboratorios de seis países, una inversión de más de 324 millones de euros y un equipo de 280 científicos. LIGO, por su parte, tiene un equipo de 1.000 investigadores y ha supuesto una inversión de al menos 1.100 millones de dólares (cerca de 935 millones de euros).

La detección conjunta lograda por Virgo y LIGO tiene más ventajas. Tal como ha informado Sciencemag.org, dado que permite localizar con mayor precisión la fuente de las ondas, más adelante facilitará localizar el origen visualmente. Esto será muy interesante para situar otra fuente de ondas gravitacionales que hasta ahora no ha sido detectada nunca: la fusión de estrellas de neutrones.

Si pudiéramos visualizar la fusión de dos agujeros negros… ¡Sería impresionante!

Hace unas semanas se rumoreó que se había detectado la primera, y ahora es cuestión de semanas o meses que se confirme o descarte. Sea como sea, lo interesante es que, cuando se detecte esta fuente, los científicos podrán mirar a través de los telescopios el origen de estas ondas gravitacionales. Esto permitirá aprender más sobre el fenómeno y sobre las estrellas de neutrones.

Además, la última observación permitirá poner a prueba las teorías sobre la polarización de las ondas gravitacionales, una propiedad predicha por la Relatividad de Einstein.

«Este es solo el comienzo de las observaciones de la red formada por Virgo y LIGO», ha dicho en un comunicado de la Universidad de Glasgow David Shoemaker, portavoz del LIGO. «Con la próxima carrera, prevista para otoño de 2018, podemos esperar una detección así cada semana, si no más». En los próximos años la ventana al Universo que son las ondas gravitacionales dará muchas sorpresas.

La primera detección de la historia de las ondas gravitacionales, anunciada en febrero de 2016, consiguió dos importantes logros. Confirmó que Einstein estaba en lo cierto cuando predijo que el Universo era surcado a la velocidad de la luz por distorsiones del espacio tiempo, e inauguró una nueva era en la Astronomía. Si a partir de los setenta la detección de rayos X permitió conseguir un nuevo sentido para observar las profundidades del espacio, en los años venideros se espera que las ondas gravitacionales permitan descubrir mucho sobre aquello que no podemos ver bien: por ejemplo los agujeros negros o las etapas tempranas del Big Bang.

En total, las ondas gravitacionales se han detectado en tres ocasiones, lo que ha permitido comprobar que la tecnología es madura. Además, en cuestión de un año o dos, dos nuevos detectores (Virgo y KAGRA) trabajarán a pleno rendimiento en la tarea de cazarlas. Este miércoles, los científicos podrían estar ante el primer descubrimiento de esa nueva era en la Astronomía. Investigadores de la Universidad de Birmingham han usado las ondas gravitacionales detectadas en tres ocasiones, más una cuarta, para sugerir cuál es el origen de los agujeros negros binarios. Tal como han concluido en Nature, su origen parece estar relacionado con el encuentro de agujeros negros formados tras la muerte de estrellas independientes. Además, han explicado que con tan solo diez detecciones en total, se podría concluir con certeza cómo se forman estos objetos.

Los agujeros negros son entidades muy esquivas y difíciles de entender. Se caracterizan porque a partir de un cierto punto de su «superficie», el llamado horizonte de sucesos, toda (o casi toda) la información está atrapada y no sale al exterior. Por eso, solo hay dos propiedades muy sencillas para explicar su comportamiento: se trata del giro o momento angular y de la masa.

Esto se extiende a los sistemas donde dos agujeros negros giran en torno a un centro de gravedad común, unos objetos que se cree que están presentes en el Universo en un número de decenas de millones. En efecto, los investigadores explican su origen a partir del giro y la masa.

El huevo y la gallina

El debate es muy técnico, pero se asemeja a la paradoja del huevo y la gallina: ¿qué va antes? En el caso de los agujeros negros, la pregunta es si dos estrellas que giraban una en torno a la otra se transformaron en agujeros negros, o bien si estrellas independientes, comenzaron a interaccionar después de colapsar y de convertirse en estos misteriosos objetos. Una tercera opción es que los agujeros negros no procedan de la muerte de estrellas, sino que se hayan formado a partir de la acumulación de plasma en las etapas tempranas del Universo.

El equipo de Will Farr, investigador de la Universidad de Birmingham, ha examinado estos escenarios a la luz de las ondas gravitacionales.

Cada una de estas hipótesis tiene varias implicaciones. Si los agujeros provienen de una estrella binaria, en la que sus dos miembros han muerto y colapsado, ambos deberían tener el giro alineado y además girar muy rápido. ¿Qué quiere decir esto? Que en relación con el eje de la órbita entre los dos agujeros, el eje de rotación de los propios cuerpos es perpendicular, tal como se aprecia en la imagen de abajo, a la izquierda. (En el Sistema Solar esto no ocurre en la Tierra, puesto que su eje de rotación está inclinado en comparación con el eje de su órbita en torno al Sol).

También podría ocurrir otra cosa: que los agujeros negros se hubieran formado separadamente, en un lugar atestado de estrellas, como puede ser un cúmulo. A la muerte de dos estrellas, las interacciones con los vecinos estelares y su distinto origen conllevarían que su eje de giro no estuviera alineado. En este caso, además, el giro podría ser muy rápido o muy lento.

Tal como ha explicado Steinn Sigurdsson en un artículo que ha acompañado en Nature a la publicación de Farr, hay una tercera opción. Los agujeros negros binarios podrían haberse formado justo después del Big Bang, en concreto en un entorno caliente y dominado por un denso plasma, y no tras la muerte de estrellas. Si esto fuera cierto, los agujeros negros binarios que vemos hoy en día tendrían un giro no alineado y lento.

Will Farr ha investigado todo lo que ha podido sobre el giro y el alineamiento de los agujeros negros binarios para desvelar este misterio y tratar de dilucidar cuál es el escenario más probable. Después de usar las señales de ondas gravitacionales detectadas hasta ahora, (GW150914, GW170104 y GW151226), junto a una última, la candidata a señal LVT151012, Farr ha sugerido que estos objetos giran rápidamente y de forma no alineada, lo que es compatible con la idea de que estos sistemas se formaron a partir de estrellas individuales que colapsaron antes de convertirse en un sistema binario.

El hallazgo no es inequívoco porque hay varios puntos oscuros. Hay incertidumbres en relación con la precisión con la que se ha medido el giro de los agujeros negros, podría ocurirr que los detectados hasta ahora no fueran representativos de la población y además podría haber muchas explicaciones o bien muchos tipos de agujeros negros binarios. En todo caso, los autores consideran que será posible concluir con confianza cuál es el origen de los agujeros negros binarios, o al menos saber cuál es el mecanismo predominante, con tan solo diez nuevas detecciones de ondas gravitacionales procedentes de la fusión de agujeros. La lenta carrera hacia lo desconocido continúa, esta vez «a lomos» de las ondas predichas por Einstein.