La manera más barata de explorar los comienzos de la expansión del universo

Hace pocos meses, el telescopio espacial Hubble detectó la estrella más lejana jamás observada. Se llama Eärendel y su luz ha tardado 12 900 millones de años en llegar a ojos del Hubble, es decir, existió en los primeros mil millones de años del universo. El telescopio espacial James Webb pretende llegar más lejos, a cientos de millones de años después del Big Bang. Pero para ir aún más atrás en el tiempo, los telescopios no sirven. En sus primeras etapas, el universo era opaco, así que para explorar los primeros cientos de miles de años del universo no nos podemos guiar por la luz.

En su lugar, tenemos que recurrir a otras ondas mucho más elusivas: las ondas gravitacionales. Cuando pensamos en ondas, solemos imaginarnos las olas de mar, las que provocamos cuando nos tiramos a la piscina o los terremotos. Son, al fin y al cabo, perturbaciones en un medio (el agua o la tierra, en estos ejemplos) que oscila arriba y abajo y hace que se mueva lo que tiene encima, sea una colchoneta hinchable o edificios enteros.

Pero, ¿y si el medio es la propia gravedad? Más precisamente, las ondas gravitacionales son perturbaciones en el espacio-tiempo, el ‘tejido’ (que en realidad no es más que una manera de medir distancias) en el que vivimos. Si una onda gravitacional atraviesa el espacio-tiempo, los objetos allí alojados se moverán. Eso hará que cambie la distancia entre ellos, según explica Diego Blas Temiño, Investigador Distinguido Beatriz Galindo Senior en el Departamento de Física de la Universitat Autònoma de Barcelona y el Institut de Física d’Altes Energies.

Ondas sutiles

Pues bien, las ondas gravitacionales, que también se propagan a la velocidad de la luz, son las únicas señales que podemos detectar del universo más joven. En 2016 se confirmó la primera detección, corroborando una de las predicciones fundamentales de la relatividad general. Este hito abrió la veda a todo un campo de investigación dedicado a averiguar de qué están compuestas la materia oscura y la energía oscura o incluso desarrollar una nueva teoría de la gravedad que pueda ser compatible con la mecánica cuántica. Un nuevo estudio, del que Blas Temiño es coautor, aporta una contribución decisiva en esta dirección.

Sin embargo, detectar ondas gravitacionales conlleva un reto importante: estas ondas son muy sutiles, y el movimiento que provocan en los objetos es tan pequeño que es dificilísimo de observar. La manera de hacerlo es realizar muchas mediciones muy precisas de la distancia entre dos objetos muy distantes y, en principio, estáticos, para detectar cualquier mínimo cambio que pueda deberse a una onda gravitacional.

Este es precisamente el cometido del observatorio LIGO que, junto a la colaboración Virgo, llevó a cabo el experimento de 2016. Este experimento midió la distancia entre dos espejos situados en túneles de varios kilómetros de largo utilizando láseres para lograr la máxima precisión. Las ondas gravitacionales que detectaron se debían a la colisión de dos agujeros negros a 1 300 millones de años luz de la Tierra, un acontecimiento que ningún telescopio fue capaz de observar. Tan solo un año más tarde, en 2017, tres investigadores implicados en el descubrimiento recibían el Premio Nobel de Física.

Retrocediendo hasta el Big Bang

Si los espejos de aquel experimento tenían que estar a varios kilómetros de distancia es porque las ondas gravitacionales que pretendían detectar son muy largas, lo que corresponde a frecuencias muy bajas. Si imaginamos un mar muy tranquilo donde pasa una ola solo de vez en cuando, hará falta colocar dos colchonetas muy separadas para observar su movimiento. Si las ponemos más cerca, la ola moverá ambas colchonetas casi a la vez, y la distancia entre ellas apenas cambiará. Por eso, cuanto más baja sea la frecuencia que queramos detectar, más separados tendrán que estar nuestros objetos.

Con unos kilómetros de separación, los espejos de LIGO detectaron las ondas provocadas por un acontecimiento muy distante, pero todavía no alcanzaron a ver nada cercano al Big Bang. Para llegar tan atrás es necesario estudiar ondas gravitacionales aún más largas (por tanto, de frecuencias más pequeñas). Tal es la separación entre objetos que se necesita que es imposible construir ningún aparato en la Tierra para el cometido.

Hay que recurrir al espacio, y para eso se utilizan las señales que nos llegan desde unas estrellas de neutrones llamadas púlsares a miles de años luz de la Tierra. Los púlsares emiten señales tan regulares que la distancia entre un púlsar y la Tierra se puede calcular de manera muy precisa, y así saber si varía con el tiempo. Así, se podrán detectar ondas gravitacionales de grandísima longitud, que corresponden a frecuencias pequeñísimas de nanohercios. Por otro lado, la misión espacial LISA, que se lanzará la próxima década, permitirá detectar ondas gravitacionales de milihercios, una frecuencia un millón de veces mayor.

Pero queda una amplísima franja intermedia por cubrir entre nanohercios y milihercios. Actualmente no hay ningún experimento capaz de medir ondas gravitacionales de, por ejemplo, microhercios (mil veces mayor que el nanohercio), “y, sin embargo, hay muchas señales que pueden estar ahí”, explica Blas Temiño. Ese es precisamente el objetivo del nuevo estudio. La propuesta consiste en medir las variaciones en la distancia entre la Tierra y la Luna, que también se conoce de manera muy precisa, para detectar ondas gravitacionales de una longitud intermedia.

Revolucionaria sencillez

Lo revolucionario es, paradójicamente, la poca tecnología que se requiere: en la Luna ya hay espejos, colocados por las misiones Apollo y otras, que reflejan las señales que se envían desde la Tierra para medir la distancia hasta nuestro satélite con una precisión de centímetros. Analizando estas mediciones durante varios años, se podrá observar si la distancia varía y si se puede deber a una onda gravitacional.

Así, se detectarían ondas que “vienen directamente del Big Bang, o sea que nos traerían información de épocas del Universo de las que todavía no se sabe nada”, explica Blas Temiño con entusiasmo. Esta franja intermedia de distancias se corresponde con procesos que ocurrieron en el universo primordial a energías altísimas, un terreno “infinitamente rico en cuanto a posibilidades”, según Blas Temiño. La esperanza es que estas ondas gravitacionales sirvan para establecer teorías para describir las partículas elementales del universo que superen a la mejor teoría actual, el Modelo Estándar.

Ahora que se han sentado las bases, solo falta analizar las mediciones de la distancia entre la Tierra y la Luna tomados durante varios años o incluso décadas y calcular si las ondas gravitacionales pueden explicar las variaciones que se observen. Blas Temiño anticipa que los resultados detectarán con éxito estas ondas y tendrán una grandísima repercusión científica: “Hay señales que están ahí, esperando a verlas. Y no hay que pagar nada, es un gran experimento”, comenta.

Con todo, para ahorrar tiempo y analizar datos de un periodo menor, se podrían enviar nuevas misiones a la Luna que coloquen espejos mejores y permitan obtener mediciones aún más precisas. Había planes de hacerlo, pero, según Blas Temiño, la invasión rusa de Ucrania podría ponerlos en jaque: “No es el mayor problema de la guerra, obviamente, pero el impacto a la ciencia es fuerte”.

QUE NO TE LA CUELEN:

• Tener la posibilidad de detectar ondas gravitacionales sin necesidad de nueva tecnología no implica el fin de las misiones espaciales como LISA. Aunque las frecuencias que manejará LISA se solaparán parcialmente con las que se puedan medir con los datos de la Luna, LISA alcanzará una precisión mucho mayor. “LISA es una maravilla de la humanidad, va a hacer cosas absolutamente increíbles”, resume Blas Temiño.

REFERENCIAS (MLA):

• Blas, Diego, and Alexander C. Jenkins. “Bridging The microhertz Gap In The Gravitational-Wave Landscape With Binary Resonances”. Physical Review Letters, vol 128, no. 10, 2022. American Physical Society (APS),https://doi.org/10.1103/physrevlett.128.101103.
• Bailes, M. et al. “Gravitational-Wave Physics And Astronomy In The 2020S And 2030S”. Nature Reviews Physics, vol 3, no. 5, 2021, pp. 344-366. Springer Science And Business Media LLC,https://doi.org/10.1038/s42254-021-00303-8.
• “Welcome To LISA | Lisamission.Org”. Elisascience.Org, 2022, https://www.elisascience.org/.
• Press release: The Nobel Prize in Physics 2017. NobelPrize.org. Nobel Prize Outreach AB 2022.https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2017/press-release/.