Las ondas gravitacionales, una nueva mirada al Cosmos

Mirar al cielo es, tal vez, la forma más antigua de ciencia. Mirar y descubrir el día y el año. Mirar y descubrir que algunas cosas cambian y otras se mantienen inmutables. Leer en ellas los ciclos del tiempo. Intuir otros ciclos, preguntarse cuál es el orden secreto que se esconde tras ellos. Hemos hecho esto desde antes de que tuviéramos memoria y, durante la mayor parte de ese tiempo, sólo hemos contado con un instrumento para mirar: nuestros ojos. Nos han servido bien, pero en algún momento les hemos sumado otros instrumentos: lentes, espejos ordenados inteligentemente, ingenios que nos permiten manejar la luz, concentrarla y ver cosas más débiles. Las que se les escapan a esos ojos que han resultado ser, al fin, limitados.

Pero en eso consiste el juego, ¿verdad? En atrapar la luz mejor, en amplificarla y ver más lejos, más pequeño, más detalles, más débil. Nuestro enlace con el mundo que hay ahí fuera es la luz. Eso pensábamos hasta que en la década de 1930 un ingeniero estadounidense descubrió que el centro de nuestra galaxia emite ondas de radio y, entonces, el juego cambió para siempre. Radio: algo que nuestros ojos jamás podrán ver, pero que también está ahí, igual que la luz, hablándonos de lo que está pasando en el cosmos. Después de la radio vinieron los infrarrojos, los rayos X, los rayos gamma. De repente nuestros ojos no sólo parecían limitados, sino también un poco provincianos.

Y sin embargo todas esas cosas son, en realidad, parecidas. Son ondas electromagnéticas, radiación producida por cargas eléctricas sometidas a una fuerza. El universo está lleno de fenómenos de este tipo, sobre todo en los lugares donde hay temperaturas muy altas: protones que se mueven a toda velocidad y que al chocar con algo emiten rayos X; electrones que giran en un campo magnético y emiten ondas de radio; núcleos y electrones dentro de bolas de gas caliente que chocan unas con otras y emiten luz. Ésa era la nueva imagen del universo: lo que podemos ver del cosmos tiene que ver con cosas, más o menos violentas, que les ocurren a las cargas eléctricas.

Los universos invisibles

Esa imagen del universo está volviendo a cambiar. En los últimos años hemos aprendido a mirar al cielo de dos formas totalmente distintas que no tienen que ver con las cargas eléctricas. Los neutrinos, por un lado, nos dan información sobre lugares donde ocurren reacciones nucleares, o donde hay gran cantidad de partículas inestables. Las ondas gravitacionales, por otro, nos hablan sobre objetos con gravedades muy intensas y que están siendo acelerados de forma violenta. Hace apenas cuatro años que sabemos cómo detectar estas gravitondas, pero les ha bastado ese tiempo para poner patas arriba lo que creíamos saber sobre el universo de gravedades extremas.

¿Qué son exactamente las gravitondas? En tres palabras, son gravedad que se mueve por el espacio. Gracias a Einstein sabemos que la gravedad se puede entender como una deformación del espacio y el tiempo. Por ejemplo, los relojes que están muy cerca de un objeto masivo corren más despacio que los que están lejos, porque el tiempo está “deformado” dentro del pozo gravitatorio. Si el objeto que genera la gravedad no se mueve, esa deformación está también quieta, a su alrededor. Pero si el objeto se mueve, y en concreto si está sometido a aceleración (por ejemplo, porque está girando alrededor de otro cuerpo), la gravedad es proyectada hacia afuera, como el sonido que escapa de nuestra garganta cuando la hacemos vibrar. Esa gravedad en movimiento es una onda gravitacional, y la podemos detectar porque cuando nos atraviesa hace que los átomos se acerquen o se alejen un poco, como buena deformación del espacio que es.

Así pues, las gravitondas nos traen información sobre objetos muy masivos que están sometidos a aceleraciones intensas. ¿Qué objetos son ésos? A día de hoy sólo hemos podido identificar dos tipos: agujeros negros y estrellas de neutrones. Es lógico, porque son los cuerpos con gravedades más fuertes y sus ondas gravitacionales son más fáciles de ver que las de planetas o estrellas convencionales. Y estamos de suerte: ambas clases las conocemos también gracias a que, a veces, emiten ondas electromagnéticas, sobre todo radio y rayos X ‒ bueno, los agujeros negros propiamente no emiten nada, pero si tienen materia a su alrededor ésta se calienta mucho y sí emite-. Ésta es la situación ideal para un científico, porque tenemos dos maneras diferentes de observar la misma cosa, y podemos compararlas para ver si coinciden.

Sorpresas inesperadas

Este punto, claro, es el que ha aprovechado la naturaleza para hacer lo que más le gusta: lo que le da la gana. Sistemáticamente, las gravitondas nos muestran objetos más masivos que los que podemos observar con ondas electromagnéticas. Esto es especialmente patente con los agujeros negros: los que hemos podido ver con rayos X son relativamente modestos, mientras que los que nos descubren las ondas gravitacionales son dos, tres, o incluso cinco veces más masivos. No hay una explicación completamente satisfactoria para esta discrepancia. Por un lado, podríamos admitir que los agujeros negros que conocíamos hasta ahora, casi todos dentro de nuestra galaxia, son sistemáticamente más pequeños que los que hay por el universo. Pero entonces ¿por qué nuestra galaxia es diferente?

Por otro lado, podríamos pensar que las gravitondas nos están permitiendo ver primero los más masivos, porque generan ondas más intensas. Esto tiene sentido: en principio los agujeros negros más grandes deberían ser muchos menos, y podría haber dado la casualidad de que los que haya en nuestra galaxia estén escondidos o no tengan materia brillante a su alrededor. Pero si elegimos esta explicación lo que nos falta es más agujeros negros pequeños en el registro de gravitondas: hemos visto algunos, pero menos de lo que cabría esperar.

A estas tensiones se les une otra que es, quizá, la más notable: algunos de los agujeros negros que vemos con gravitondas son tan grandes que tenemos problemas para explicar de dónde narices han salido. Se supone que la mayoría de agujeros negros tienen que haberse formado cuando una estrella vieja se derrumba sobre su núcleo, pero este proceso no debería crear muchos agujeros negros de más de 25 veces la masa del Sol, y definitivamente no debería crear ninguno de más de 50. Lo que estamos viendo gracias a las gravitondas encaja mal en este paradigma.

De las estrellas de neutrones sabemos menos, porque hasta ahora sólo se han detectado dos parejas, y la segunda se ha anunciado esta misma semana. De forma mucho más preliminar, las gravitondas también apuntan a estrellas de neutrones más masivas que las que podemos ver con ondas electromagnéticas. La primera pareja que se observó fue una pareja “normal”; en la segunda, sin embargo, una de las dos estrellas es, digamos, de las grandes, y la suma de las dos estrellas está muy por encima de lo que conocíamos en otros sistemas binarios. De nuevo, estas observaciones no son totalmente armónicas con lo esperado. ¿Estamos quizá viendo una población de estrellas de neutrones “pesadas”? Habremos de esperar: hemos detectado sólo dos parejas, y es razonable pensar que las gravitondas nos estén dando acceso primero a las estrellas de neutrones más masivas, y a medida que mejoren los instrumentos podamos ver otras más típicas.

En definitiva, estamos asistiendo en estos años a lo que siempre ocurre cuando uno mira adonde nadie había mirado: que descubre que sus prejuicios no eran exactos, o que eran, sencillamente, erróneos. ¿Existe una población de agujeros negros masivos que no sabemos de dónde han salido? Es posible. ¿Son una población anómala, surgida de procesos poco probables, pero la estamos viendo en primer plano porque emite gravitondas muy intensas? Podría ser. ¿Es nuestra galaxia la que es anómala, y por alguna razón no tiene agujeros negros de esa población? Todas estas preguntas no tienen una respuesta clara a día de hoy, pero los instrumentos para responderlas ya están en funcionamiento. La respuesta está esperándonos. Allá, en el futuro.

QUE NO TE LA CUELEN

• Un objeto aislado en el espacio e internamente estable no emite gravitondas, aunque tenga mucha masa. Es necesario que esté sometido a una aceleración que tenga alguna dirección privilegiada, como sucede cuando dos cuerpos giran uno en torno al otro, o cuando un terremoto sacude a un objeto muy masivo. Por eso todos los objetos que hemos visto hasta ahora son sistemas binarios. Un agujero negro aislado no emite ondas gravitacionales.
• Hay cierta discusión sobre cómo deberíamos llamar a las gravitondas en español. Mucha gente prefiere el término “ondas gravitacionales”, que es una trasposición directa del término inglés. Otros argumentan que “ondas gravitatorias” es un término más propiamente castellano. Lamentablemente, “onda gravitatoria” ya se viene utilizando para otro fenómeno, que en inglés se llama “ondas de gravedad”. Todo este trabalenguas lingüístico hace difícil escoger un término u otro.

REFERENCIAS

• LIGO Scientific Collaboration. Summaries of LSC scientific publications. Web. 7 ene. 2020.
• Abbott, B.P. et al. GW190425: Observation of a Compact Binary Coalescence with Total Mass ~3.4 M☉. LVC preprint. 6 ene. 2020.
• Elavsky, Frank, LIGO-Virgo, Northestern University. Masses in the stellar graveyard. Web. 7 ene. 2020.