Atrapando las olas de Einstein

Los astrónomos han estado observando los cielos esencialmente de la misma manera durante casi 400 años. Desde que Galileo apuntó sus telescopios a la Luna en 1609, han utilizado medios cada vez más sofisticados para detectar la luz emitida por objetos distantes, recolectando no solo luz visible sino ondas de radio, rayos X y otras formas de radiación electromagnética. Pero algunas de las cosas más emocionantes del espacio no nos iluminan.

Los estudiantes de posgrado Alma Steingart y Brett Shapiro, el científico de LIGO Rich Mittleman y el profesor de física Nergis Mavalvala en el laboratorio de MIT LIGO.

La capacidad de observar el universo utilizando algo que no sea la luz podría marcar el comienzo de una nueva era de la astronomía, una era que los físicos del MIT creen que pronto estará sobre nosotros. Sus esperanzas giran en torno a la detección de ondas gravitacionales, un tipo de radiación fundamental predicha por Einstein en 1916 pero que aún no se observa directamente. El análisis de las ondas gravitacionales, creen, proporcionará una forma sin precedentes de estudiar la actividad de las estrellas de neutrones en espiral, los agujeros negros y los núcleos de las estrellas en colapso.

Las ondas gravitacionales no solo son predichas por la teoría de la relatividad de Einstein, sino que las predicciones están respaldadas por evidencia empírica indirecta, como cambios en las órbitas de estrellas de neutrones binarias que los científicos han observado durante décadas. Sin embargo, antes de que los astrónomos puedan analizar las ondas gravitacionales de objetos distantes, los físicos experimentales deben detectar las ondas directamente.

Un equipo de investigadores del MIT y Caltech no puede resistir el desafío. Operan conjuntamente el Observatorio de ondas gravitacionales con interferómetro láser (LIGO), que está financiado por la National Science Foundation en sitios en el estado de Washington y Louisiana. Construido en la década de 1990, LIGO se basa en diseños desarrollados en la década de 1970 por Rainer Weiss '55, PhD '62, que ahora es profesor emérito de física en el MIT. Al detectar cambios en la distancia entre espejos finamente calibrados, los instrumentos de LIGO miden pequeñas distorsiones en la estructura del espacio-tiempo. Con la primera generación de detectores, que costó 230 millones de dólares, la probabilidad de detectar una onda gravitacional era baja. Pero los físicos de LIGO creen que ahora tienen la tecnología para dar la vuelta a la esquina. Con las actualizaciones en proceso, esperan lograr un aumento de diez veces en la sensibilidad, lo suficiente, creen, para detectar ondas gravitacionales unas cuantas veces al mes para 2014.

A estos físicos les encanta abordar uno de los problemas de ingeniería de precisión más difíciles del mundo: medir distancias más pequeñas que los núcleos atómicos más pequeños. Es muy difícil. Y eso tiene un gran atractivo, dice Nergis Mavalvala, PhD ‘97, profesor asociado de física que está diseñando instrumentos mejorados para LIGO. Pero aún más emocionante que el desafío es la recompensa potencial. La física de ondas de gravedad va a cambiar la forma en que vemos el universo, dice el profesor asociado de física Erik Katsavounidis, que está analizando datos de LIGO. Hay pocas cosas en esa clase.

De Newton a Einstein
Newton describió la gravedad como una fuerza de atracción entre masas. Pero incluso Newton estaba insatisfecho con su incapacidad para explicar lo que causas gravedad. Eso quedó en manos de Einstein, quien explicó cómo surge la gravedad al describir el espacio mismo de una manera nueva.

Antes de Einstein, se pensaba que el espacio era absoluto, que existía fuera de la influencia de las masas que se movían dentro de él. Einstein concibió el espacio como maleable y propuso que el tiempo y el espacio eran parte de un sistema de cuatro dimensiones. Masas como el sol distorsionan el tejido del espacio-tiempo, provocando lo que los físicos llaman curvatura del espacio-tiempo. Esta curvatura afecta el movimiento de otras masas: en otras palabras, es lo que experimentamos como gravedad.

A medida que las masas se aceleran, propuso Einstein, provocan ondas en el espacio-tiempo como las ondas que viajan a través del agua tras la estela de un barco. Estas estelas de espacio-tiempo son lo que él llamó ondas gravitacionales. Al igual que las ondas de luz y sonido, se describen en términos de frecuencia y longitud de onda. En las ecuaciones de Newton, la fuerza de la gravedad se ejerce instantáneamente, una aproximación que funciona maravillosamente para la mayor parte de lo que podemos observar. Pero las ondas gravitacionales se propagan a través del espacio-tiempo a la velocidad de la luz. Entonces, cualquier cambio en la atracción gravitacional de un objeto distante toma tiempo para llegar a la Tierra, al igual que lo hace su luz. Todo esto lleva un tiempo para entenderlo, admite Scott Hughes, profesor asistente de física.

A medida que viajan las ondas gravitacionales, se estiran y aprietan el espacio-tiempo, dice Mavalvala. Si uno pasara a través suyo ahora mismo, podría volverse un poco más alto, luego un poco más bajo; un poco más ancho, luego un poco más delgado. De manera similar, si una onda gravitacional atraviesa dos objetos, la distancia entre ellos varía. LIGO está diseñado para medir este efecto.

Sucede que las cosas que LIGO será bueno para detectar, como los agujeros negros que chocan con las estrellas de neutrones, no se pueden ver bien con los telescopios. Pero si bien estos fenómenos son interesantes, el valor real de estudiarlos, dice Hughes, es que nos permitirán probar las leyes de la física en áreas del universo muy diferentes al nuestro.

Las leyes de Newton funcionan bien en nuestro sistema solar, donde la gravedad es débil. Pero cerca de los agujeros negros, dice Rainer Weiss, el espacio gravita con tanta fuerza que ya no es plano; está enrollado sobre sí mismo de formas horribles. Con LIGO, dice, veremos cosas de regiones del universo donde Einstein es toda la historia. Newton del que te puedes olvidar. LIGO, esperan los físicos, abrirá lo que Hughes llama un laboratorio extremo. La medición de ondas gravitacionales nos dará una idea de la naturaleza más profunda del espacio y el tiempo, dice Edward Bertschinger, jefe del departamento de física del MIT. Hasta que no los estudiemos a fondo, no hemos entendido la gravedad.

Sin embargo, el establecimiento de la física tardó mucho tiempo en creer que valía la pena invertir en tecnologías diseñadas para medir ondas gravitacionales. Weiss, quien ha pasado toda su carrera en el MIT, jugó un papel importante en cambiar el rumbo.

Los orígenes de LIGO
Incluso Einstein reconoció que las ondas gravitacionales serían difíciles, si no imposibles, de medir. Aunque creía que realmente existían, en la década de 1930 los físicos comenzaron a pensar en las ondas gravitacionales como curiosidades matemáticas. Y sin forma de poner a prueba sus ideas sobre ellos, el propio Einstein se echó atrás en sus afirmaciones anteriores.

Pero en 1960, un hombre a quien Weiss llama valiente e imaginativo loco decidió intentar medir ondas gravitacionales. Joseph Weber, profesor de la Universidad de Maryland, construyó un detector que funcionaba como una barra de xilófono de metal; pero en lugar de vibrar cuando es golpeado por un mazo, vibra cuando es golpeado por ondas gravitacionales. Weiss dice que Weber vio todo tipo de cosas maravillosas y afirmó que había detectado lo que predijo Einstein.

El problema era que nadie podía duplicar sus resultados, aunque Weber, quien murió en 2000, se mantuvo fiel a ellos. Weiss dice que un físico más cuidadoso habría sido más escéptico de sus propias conclusiones; él especula que las máquinas de Weber pueden haber detectado cosas como rayos o líneas telefónicas problemáticas, pero Weber no investigó otras posibles explicaciones para sus datos. Sin una confirmación independiente de las ondas de Weber, el campo entró en un estado terrible, dice Weiss.

Weiss, no menos imaginativo que Weber, también estaba interesado en la gravitación desde una perspectiva experimental. Había abandonado el MIT en la década de 1950, pero el legendario profesor de física Jerrold Zacharias le dio otra oportunidad y lo contrató para trabajar en su laboratorio. Después de obtener su doctorado en el MIT, Weiss pasó un tiempo en la Universidad de Princeton en el laboratorio de Robert Dicke, un destacado experto en gravitación.

Poco después de regresar al MIT como profesor, Weiss fue asignado para impartir una clase de posgrado sobre relatividad. Era la primavera de 1966 y el detector de Weber estaba en funcionamiento. No podía entender qué estaba haciendo Weber, recuerda Weiss, por lo que decidió explicar las ondas gravitacionales a sus estudiantes ideando la explicación más simple de cómo se podía detectar una que yo pudiera imaginar. Su idea era usar un interferómetro, una configuración en forma de L de espejos igualmente espaciados que usa luz láser para medir con precisión la distancia. A medida que las ondas gravitacionales pasan por los objetos, se estiran y comprimen el espacio-tiempo de tal manera que cambian las distancias entre esos objetos. Cuanto mayor sea la distancia inicial entre dos objetos, mayor será el cambio. Cuanto mayor sea el cambio, más fácil será medirlo.

Durante los siguientes años, Weiss desarrolló prototipos para lo que se convertiría en LIGO. Los investigadores de Caltech, así como los patrocinadores de la National Science Foundation, respaldaron sus planes antes de que lo hiciera la administración del MIT; el Instituto se mostró reacio a dedicar dinero a lo que parecía una propuesta arriesgada. Pero una vez que se estableció la colaboración de Weiss con Kip Thorne y Ronald Drever de Caltech y se aseguró la financiación, el MIT se unió.

El LIGO de hoy es un conjunto de interferómetros enormes, dos de ellos con brazos de cuatro kilómetros de largo y un tercero con brazos de dos kilómetros. Más como un oído que un ojo, LIGO captará cualquier onda que pueda oír, sin importar de qué dirección vengan. Pero Weiss espera que la tecnología sirva como un nuevo tipo de telescopio.

En la esquina de cada L hay un espejo que divide un rayo de luz láser en dos y envía un rayo por cada brazo, a través de un tubo de acero inoxidable sellado al vacío, hasta un espejo en el extremo. Los espejos reflejan los rayos de regreso a la esquina, donde se recombinan para crear un patrón de interferencia de puntos brillantes y oscuros. Este patrón permanece igual mientras nada se mueva. Pero si una onda gravitacional pasa a través del interferómetro, sutilmente aprieta y estira el espacio, empujando los espejos para que cambie el patrón.

Esto suena bastante simple. Pero eliminar el ruido del sistema es increíblemente complejo. Todo lo demás en el planeta puede mover los espejos más que las ondas gravitacionales, dice Mavalvala, con muy poca exageración. Ella marca una breve lista de fenómenos que pueden perturbar a LIGO: movimientos de placas tectónicas, olas del océano, tráfico rodado, metro, incluso simplemente la actividad de las personas que se mueven. Ni siquiera en la fabricación de microprocesadores con características muy pequeñas es necesario mantener las cosas tan quietas como en los detectores de LIGO. Solo un visionario podría observar los requisitos técnicos de LIGO y no desanimarse, dice Bertschinger.

Los científicos de LIGO están analizando datos de la primera ejecución a gran escala de los detectores, desde noviembre de 2005 hasta octubre de 2007. El gran volumen de datos, los detectores generados alrededor de un gigabyte al día, presenta un gran desafío computacional. Aún más difícil es decidir cómo determinar cuándo se ha detectado una onda gravitacional más allá de cualquier duda razonable. Dado el legado de Weber, dice Erik Katsavounidis, queremos estar completamente seguros.

Los investigadores creen que la tecnología actual de LIGO debería poder detectar eventos cósmicos violentos como las supernovas, siempre que no estén demasiado lejos. Para nuestra galaxia, tenemos una buena sensibilidad, dice Katsavounidis. Sin embargo, las supernovas son raras; se cree que ocurren dentro del rango de LIGO aproximadamente una vez cada 30 años. Hasta que LIGO pueda ver más lejos, dice, las mejores fuentes potenciales de ondas gravitacionales detectables podrían ser objetos que los astrofísicos ni siquiera conocen todavía.

La próxima generación
Utilizando el sistema de ultra alto vacío más grande de la Tierra, LIGO puede detectar desplazamientos de espejos tan pequeños como de 10 a 18 metros, una milésima del tamaño del núcleo del átomo más pequeño. Esa sensibilidad se duplicará en aproximadamente un año, gracias a las mejoras que Mavalvala compara con poner un motor turbo en un automóvil. Y el equipo de LIGO planea reemplazar los detectores iniciales por completo. Construido para un proyecto llamado Advanced LIGO, el nuevo conjunto de detectores será 10 veces más sensible, lo que aumentará mil veces el volumen de espacio observable.

En el laboratorio brillantemente iluminado del equipo LIGO de proporciones similares a un hangar en el lado oeste del campus del MIT, Mavalvala esconde su cabeza con gorra de béisbol debajo de uno de dos tubos de acero inoxidable de 15 metros. Los tubos se conectan en forma de L para formar una réplica a menor escala de los interferómetros de Louisiana y Washington. Cerca, un aparato que parece haber sido construido a partir de un conjunto Erector gigante se encuentra en una plataforma de acero elevada revestida con láminas de plástico. Mavalvala explica cómo Advanced LIGO se asegurará de que las plataformas desde las que están suspendidos los espejos permanezcan muy, muy quietas.

Cuando el aparato está en funcionamiento, los acelerómetros de las plataformas detectan el movimiento y los motores lo corrigen moviendo la plataforma en la dirección opuesta. Cada espejo colgará de su plataforma de un alambre que sujetará pesas de metal y vidrio. El péndulo resultante tiene una frecuencia natural menor que la de las ondas gravitacionales. Cuando la plataforma se sacude rápidamente por el ruido sísmico, los péndulos amortiguarán el movimiento de los espejos, asegurando que los pequeños movimientos debidos a las ondas gravitacionales no queden enmascarados.

Estas mejoras mejorarán la sensibilidad de LIGO a las ondas gravitacionales de baja frecuencia. Pero al medir desplazamientos mucho más pequeños que un átomo, los investigadores también deben lidiar con diferentes fuentes de ruido que limitan la sensibilidad en otros rangos. En el rango intermedio, LIGO está limitado por el movimiento térmico: los átomos a temperaturas superiores al cero absoluto se mueven. Por lo tanto, los átomos de metal en los cables que suspenden los espejos de LIGO introducen ruido en el sistema. Advanced LIGO utilizará fibras de vidrio desnudo fabricadas especialmente, un material con menos pérdidas: los átomos se mueven menos y menos de su movimiento se transfiere al espejo.

A frecuencias más altas, las propiedades cuánticas de la luz son el problema. Cuando haces una medición con luz, dice Mavalvala, tienes que lidiar con las propiedades de ruido de la luz en sí. Una mayor potencia del láser significa una mejor relación señal-ruido: el láser de Advanced LIGO tendrá 20 veces la potencia del actual.

Con estas mejoras, deberíamos ver algo una vez a la semana, dice David Shoemaker, SM ‘80, el científico investigador senior del MIT que dirige Advanced LIGO. Si no vemos nada, algo anda mal con la relatividad general.

Cuando se detecta por primera vez una onda gravitacional, todos van a tener una fiesta estridente, dice Scott Hughes. Luego, cuando termine la resaca, vamos a decir: 'Está bien, ¿qué hacemos ahora?'.

Al crear modelos informáticos de objetos como agujeros negros, Hughes está tratando de descubrir cómo usar ondas gravitacionales para hacer astronomía. Dado que ninguna luz escapa de los agujeros negros, los físicos los han visto solo indirectamente, por ejemplo, al detectar los rayos X que emiten las estrellas cuando se introducen en uno. Pero cuando los agujeros negros comen algo, dice Weiss, emiten un eructo muy satisfecho, una onda gravitacional. Dada la forma en que la relatividad general describe las cosas, dados los detectores tal como los hemos diseñado, dice Hughes, ¿con qué precisión puedo hacer cosas como medir la masa y el giro de un agujero negro?

Los físicos que hacen estas preguntas se adentran en lo desconocido y no pueden predecir todo lo que podrían aprender. Pero, dice Bertschinger, quiero que el MIT sea parte de esa era, que participe en la fiesta de la ciencia que se avecina.

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