Cuando chocan dos agujeros negros

La National Science Foundation estadounidense grab¨® dos grandes uves, una en un des¨¦rtico paisaje del Estado de Washington y otra entre pinos en el Estado de Luisiana, a finales de los a?os noventa. Fue el inicio del esfuerzo m¨¢s ambicioso hasta la fecha para detectar ondas gravitacionales. Las dos uves son t¨²neles que alojan el Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) y, si un fen¨®meno extremadamente violento, como la colisi¨®n entre dos agujeros negros, hace temblar la estructura del universo a una distancia de 300 millones de a?os luz de la Tierra, el sistema deber¨ªa detectar las fluctuaciones gravitacionales resultantes. El observatorio es lo bastante sensible como para advertir un cambio de menos de una d¨¦cima de trillon¨¦sima de pulgada (1 pulgada es 2,54 cent¨ªmetros), lo que equivale a una mil¨¦sima parte del di¨¢metro de un prot¨®n, en la longitud de los haces l¨¢ser que recorren los t¨²neles, de cuatro kil¨®metros de longitud.

Tras varios a?os de pruebas, el observatorio empez¨® a funcionar el pasado noviembre

La tasa de fusiones detectables podr¨ªa ser de una cada 50 a?os aproximadamente

Despu¨¦s de varios a?os de pruebas y operaciones de ajuste -por ejemplo, en el laboratorio de Luisiana hubo que instalar amortiguadores especiales para contrarrestar las vibraciones generadas por la tala de ¨¢rboles cercanos- el observatorio empez¨® a funcionar el pasado noviembre. El coste de la construcci¨®n de los dos centros asciende a casi 235 millones de euros, y el mantenimiento anual es de 23 millones de euros.

Los datos obtenidos hasta ahora, presentados recientemente en una reuni¨®n de la Sociedad Americana de F¨ªsica, en Dallas, no contienen nada de inter¨¦s. De hecho, a los cient¨ªficos no les sorprender¨ªa que no se encontrase nada durante el primer a?o de experimentos. "Yo no perder¨ªa el sue?o preocup¨¢ndome por la relatividad general", dice Peter R. Saulson, portavoz del observatorio. Jay Marx, director general del LIGO, estima que las posibilidades de ¨¦xito son de un 25 %, "si la naturaleza se porta bien".

La relatividad general, formulada por Einstein para explicar las propiedades del espacio y el tiempo, encaja bien con las mediciones hechas en el Sistema Solar y sus alrededores. Pero las predicciones sobre lo que ocurre donde la gravedad es extremadamente fuerte, por ejemplo en torno a los agujeros negros, apenas se han podido comprobar. Uno de los pron¨®sticos afirma que, en tales condiciones, se generar¨¢n unas ondas gravitacionales considerables.

Gracias a unas nuevas investigaciones, los cient¨ªficos tienen ahora una idea m¨¢s clara de lo que deber¨ªa buscar el LIGO. Un equipo dirigido por Joan M. Centrella, directora del Laboratorio de Astrof¨ªsica Gravitacional (de la NASA), anunci¨® recientemente haber calculado la forma de las ondas gravitacionales que deber¨ªan generarse cuando se fusionan dos agujeros negros, el uno en ¨®rbita alrededor del otro. Las ecuaciones de la relatividad general se anotan con facilidad, pero son c¨¦lebres por la complejidad de su resoluci¨®n. Los astrof¨ªsicos fueron capaces de simular una colisi¨®n frontal entre dos agujeros negros hace tres d¨¦cadas, pero computar la trayectoria de dos agujeros negros en ¨®rbita y su violenta uni¨®n result¨® ser mucho m¨¢s dif¨ªcil.

Las simulaciones de Centrella contienen algunas simplificaciones que no reflejan los atributos de los pares de agujeros negros reales: los dos objetos tienen la misma masa, y ninguno de los dos gira. Los c¨¢lculos pronosticaban, por ejemplo, que un 4% de la masa de los agujeros negros se convertir¨ªa en ondas gravitacionales. "Es una cifra muy importante", explica Saulson. "Nos indica que las ondas gravitacionales tendr¨¢n aproximadamente la fuerza que esper¨¢bamos, y eso es un est¨ªmulo, porque hace que parezca que las probabilidades de hallar algo sean mayores".

La teor¨ªa de la relatividad general de Einstein transform¨® el concepto de la gravedad en un rompecabezas geom¨¦trico, en lugar de ser una simple fuerza que hac¨ªa que las manzanas cayeran de los ¨¢rboles. Cabe imaginar una superficie de goma tensada en horizontal sobre la que se lanzan una bola de bolos y una pelota de tenis. La bola es m¨¢s pesada y se hunde m¨¢s, y la pelota se desplaza hacia la primera, no porque exista una atracci¨®n directa entre ambas, sino porque la pelota de tenis rueda hasta la depresi¨®n que se crea alrededor de la bola. En esta analog¨ªa bidimensional del espacio-tiempo, uno puede imaginar tambi¨¦n una colisi¨®n s¨²bita entre objetos que genere unas ondas que se deslicen por la superficie. ?sas son las ondas gravitacionales que espera detectar el LIGO.

El observatorio funciona as¨ª: en cada uno de los centros, un rayo l¨¢ser generado en la base de la V se divide en dos y se dispara a trav¨¦s de unos t¨²neles excavados a lo largo de los brazos; la luz rebota de un extremo a otro de los t¨²neles; cuando una onda gravitacional pasa a gran velocidad, deber¨ªa aumentar y reducir la distancia recorrida por el rayo, haciendo que la luz del l¨¢ser parpadee en un detector situado en la base de la V. Como los instrumentos son muy sensibles a peque?as perturbaciones, para los cient¨ªficos probablemente s¨®lo ser¨ªan convincentes las se?ales recibidas por ambos detectores del LIGO, separados uno de otro por casi 3.200 kil¨®metros.

Las dudas sobre si el LIGO conseguir¨¢ detectar ondas gravitacionales no radica en cuestiones sobre la relatividad general, sino en dudas sobre la frecuencia con la que se producen los acontecimientos que generan ondas gravitacionales en el universo. En teor¨ªa, los pares de agujeros negros en ¨®rbita son el resultado final de sistemas estelares compuestos por dos estrellas gigantescas. Con el tiempo, los agujeros negros acabar¨ªan colisionando. Los astr¨®nomos pueden ver muchos pares de estrellas gigantes rotando en el cielo, pero no est¨¢n seguros de que terminen desmoron¨¢ndose para convertirse en pares de agujeros negros.

Debido a que los astrof¨ªsicos no comprenden del todo c¨®mo envejecen las estrellas, "existen muchos factores de incertidumbre", se?ala Vassiliki Kalogera (Universidad Northwestern). "No sabemos si existen los agujeros negros binarios". En la versi¨®n m¨¢s optimista, sus c¨¢lculos indican que el LIGO podr¨ªa detectar hasta 10 fusiones de agujeros negros al a?o. Pero el factor de incertidumbre de los c¨¢lculos es de cien, lo cual significa que, en el caso m¨¢s pesimista, la tasa de fusiones detectables podr¨ªa ser de una cada 50 a?os, aproximadamente.

Un acontecimiento m¨¢s com¨²n es la fusi¨®n de estrellas de neutrones, que son los n¨²cleos densos remanentes de la explosi¨®n final de ciertas estrellas. La prueba m¨¢s fiable de que existen las ondas gravitacionales fue la observaci¨®n indirecta que realizaron dos f¨ªsicos de Princeton, Joseph H. Taylor y su alumno Russell A. Hulse. Ellos descubrieron un par de estrellas de neutrones pulsantes en ¨®rbita una de la otra y comprobaron que la cantidad de energ¨ªa perdida en la disminuci¨®n de las ¨®rbitas era igual a la cantidad de energ¨ªa que se esperaba que fuese emitida en forma de ondas gravitacionales. Recibieron por ello el Premio Nobel en 1993.

Pero las ondas gravitacionales emitidas por las estrellas de neutrones en ¨®rbita son demasiado d¨¦biles como para ser detectadas por el LIGO. E incluso cuando dos de estos cuerpos colisionan, el cataclismo no es ni mucho menos tan violento como una fusi¨®n entre agujeros negros, con lo cual, un choque entre estrellas de neutrones deber¨ªa producirse mucho m¨¢s cerca para que el LIGO pudiese percibirlo. Seg¨²n los c¨¢lculos de Kalogera, el observatorio detectar¨¢, en el mejor de los casos, una fusi¨®n de estos astros cada siete u ocho a?os. Seg¨²n Marx, para que el LIGO detecte ondas gravitacionales de forma habitual, los instrumentos requerir¨ªan una mejora propuesta de 160 millones de euros, que incluye l¨¢seres m¨¢s potentes para multiplicar por diez su sensibilidad.

Los astr¨®nomos esperan que el LIGO y sus sucesores, as¨ª como otros detectores similares en Europa y Jap¨®n, se conviertan en una nueva clase de telescopio. Si la detecci¨®n de ondas gravitacionales se volviera algo habitual, los astr¨®nomos podr¨ªan deducir muchas propiedades f¨ªsicas de los agujeros negros y las estrellas de neutrones. El observatorio mejorado quiz¨¢ pueda detectar tambi¨¦n ondas gravitacionales emitidas por la explosi¨®n de estrellas e incluso por reverberaciones del Big Bang. Mientras tanto, la ESA y la NASA est¨¢n pensando enviar al espacio en la pr¨®xima d¨¦cada un detector de ondas gravitacionales llamado Laser Interferometer Space Antenna (LISA) compuesto por tres sat¨¦lites. Por ahora, los cient¨ªficos est¨¢n a la espera de su primera onda gravitacional en LIGO.

? The New York Times