Ondas gravitacionales detectadas un siglo después, seguramente.

Afortunadamente no todo es política de mercadillo estos días. Parece ser que esta tarde va a anunciarse la detección directa de ondas gravitacionales, una predicción que emerge de las ecuaciones de campo de Einstein y que representa el análogo en Relatividad General a la radiación electromagnética en Electrodinámica. A la espera de que en unas horas conozcamos los detalles, no está de más hacer un breve repaso para situarnos ante la avalancha de información que nos va a llover estos días, porque estamos sin duda ante un descubrimiento que lleva engarzado el Premio Nobel de Física 2016 (seguramente a los responsables del experimento,  Kip Thorne (si, el de Interestellar) y Ronald Drever del Caltech, y a Rainer Weiss del MIT.

El concepto de onda gravitacional es sencillo en su esencia, de la misma manera que cargas aceleradas crean una radiación electromagnética que se propaga por el espacio a la velocidad de la luz, provocando una variación/oscilación de los campos eléctrico y magnético en cada punto, Einstein calculó el efecto correspondiente provocado por una variación en el campo gravitatorio, y en sendos cálculos en 1916 y 1918, llegó a la conclusión de que las ondas gravitacionales debían existir, aunque pensó que debido a su minúscula amplitud jamás serían detectadas.

[Nótese que la Relatividad General ni siquiera estaba validada empíricamente (lo cual hizo Eddington en 1919 midiendo durante un Eclipse solar en África la desviación debida a nuestro sol de la luz de diversos astros  -paper original: PDF), y sin embargo Einstein estaba seguro de que su teoría de la gravitación era correcta, no por arrogancia, sino porque aparte de la profunda consistencia física y matemática de la teoría, él mismo había reproducido, a partir de sus ecuaciones el avance del perihelio de Mercurio, un misterio –no encajaba con la Gravitación de Newton- que venía fastidiando desde mediados del siglo XIX. Anecdóticamente, años más tarde, en 1936, Einstein mismo renegaba de la existencia de estas ondas, y remitió un estudio al Physical Review bajo el título «Do Gravitational Waves Exist?» que fue rechazado, aunque luego, con un título más suave, «On gravitational waves«, se publicó en The Journal of The Franklin Institute.] (ver «Einstein and the Gravitational Waves» by Wolfgang Steinicke)

Por tanto quedamos que aceptada la Relatividad General es razonable asumir que toda masa que se acelere producirá ondas gravitacionales, y que la única esperanza de detectarlas directamente es encontrar una fuente lo suficientemente intensa, de tal manera que las perturbaciones en el espacio-tiempo local (aquí-hoy en la Tierra), sean lo suficientemente significativas como para ser medidas.

Un punto de inflexión en esta historia se produjo cuando los norteamericanos Russell A. Hulse y Joseph H. Taylor descubrieron el púlsar PSR B1913+16, dos estrellas de neutrones que giran una alrededor de la otra (o ambas respecto al centro de masas), que emitían ondas de radio en forma de pulsos que son función de su periodo orbital. Hulse y Taylor notaron que los pulsos presentaban irregularidades, que resumiendo, se relacionaban con un acortamiento de la órbita que encaja como un guante con las predicciones que hace la Relatividad General para tal sistema, al tener en cuenta la pérdida energética inmanente a la emisión de ondas gravitacionales. No es una medición directa (no mides la distorsión del espacio-tiempo) pero fue suficiente para que Hulse y Taylor se llevaran el Nobel de Física en 1993, y para que la Relatividad General nos mostrara, una vez más, su robustez.

Hace un par de años hubo también una gran expectación cuando el equipo BICEP2 anunció la detección de ondas gravitacionales primordiales (aquellas en las que la fuente es el propio Big Bang), hablé de ello aquí mismo. Desgraciadamente el descubrimiento fue descartado hace un año por otros análisis. No está de más recordar en este punto que lo que se está describiendo en esta entrada es puramente clásico, la Teoría de la Relatividad (ambas, Especial y General, si las consideras independientes) es la última teoría puramente clásica (i.e. determinista) y no incluye (ni considera) la realidad cuántica que describe al mundo subatómico. Nótese por ejemplo que el electromagnetismo es una interacción que está cuantizada mediante la Electrodinámica Cuántica, y hablamos e incluso manejamos con cierto desparpajo «los fotones«, sin embargo aquí no hablamos de «gravitones» que sería la partícula análoga en una teoría cuántica de la Gravedad. Pero en casos extremos en los que la gravedad no puede ser ignorada es necesario combinar las teorías que rigen la Gravedad (Relatividad General), y las otras tres fuerzas, electromagnetismo, nuclear fuerte y débil (Teoría Cuántica de Campos). Y eso no se sabe hacer hoy (aunque la Teoría de Cuerdas es firme candidata). Mientras que en la detección de ondas gravitatorias simplemente se está analizando un efecto puramente clásico (propagación de una onda, básicamente), en el caso del BICEP2 lo que se analiza son patrones en la radiación de fondo (la «información» más antigua del Universo), y se investiga si tal o cual modelo, en éste caso el modelo inflacionista del Big Bang, replica lo que vemos, lo cual será una pista espléndida de que vamos por buen camino. Por descontado que cuando hablas de los primeros instantes del Big Bang cuando se produjo la inflación (los primeros 10⁻³⁶ segundos) no puedes evitar ni la cuántica ni la gravitación.

Los resultados que se presentarán hoy son una medida directa en el experimento LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), y la fuente no es un púlsar sino un exótico proceso de fusión de dos agujeros negros, algo similar a esta animación:

Sucintamente, el LIGO son dos brazos idénticos de 4 Km perpendiculares entre sí, mediante interferometría se intenta medir la distorsión en sus medidas debido a la ondulación del espacio-tiempo asociada con el paso de las ondas gravitacionales originadas en la mezcla de agujeros negros. La delicadeza del experimento es absoluta, es necesaria una resolución del orden de 10⁻²⁰ (diez mil veces más pequeño que un núcleo atómico), pero presumiblemente, un siglo después de que fueran descubiertas por Albert Einstein, esta tarde a las 16:15 nos confirmarán su detección. El canal de YouTube de la National Science Foundation lo retransmitirá en directo aquí. Estaremos pendientes.

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EDITO

Bueno, pues confirmada la detección de ondas gravitacionales y terminada la rueda de prensa.

No han dicho nada que no supiéramos que iban a decir, pero el hecho de que se confirme no deja de ser espectacular, quizá más que el Higgs, aunque ambos son experimentos que confirman «detalles» de teorías extraordinariamente precisas que no estaban en cuestión (bien, todo está en cuestión, pero nuevas teorías nunca se construyen demoliendo las antiguas, lo mismo que Einstein no denostó a Newton, y su Gravitación Universal sigue funcionando a las mil maravillas en el 99% del universo); y ambos son Premio Nobel súbito de física.

A vuela pluma, lo más importante:

+ Se ha medido una variación de una diezmilésima parte de un núcleo atómico en 4km, en dos detectores distintos en USA. Ahí es ná. Hay otro montón de datos espectaculares de las bestiales masas en juego, las velocidades de éstas, y de los astronómicos valores de energía de los que hablamos, nunca mejor dicho. Mejor echar un ojo a estos cálculos en The Reference Frame: LIGO wows: black holes heavy as 36+29 merge to 62 Suns + 3 Suns of gravitational waves.

+ Confirmación de que los agujeros negros existen, no estoy seguro hasta que nivel de confianza, pero muy muy alto.

+ Nueva vía de observación astronómica, al espectro electromagnético (rayos x, óptico y radio), añadimos ahora la «observación» gravitatoria, un instrumento que permitirá analizar los acontecimientos más violentos acaecidos en el universo. De alguna manera lo que han hecho estos tipos es comparable a la primera vez que Galileo miró por un telescopio a principios del siglo XVII.

+ Justo antes» de fusionarse las ondas gravitatorias caen en un rango de frecuencias en torno a los 300Hz (¡audible!), por lo cual podemos escuchar como sonaría una «colisión» de agujeros negros. Por supuesto esto ya se había calculado, y unos cachondos hicieron hace unos años una sinfonía con estas frecuencias (y modificando otras para que fueran aptas a nuestro oído). Y sale esto:

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17/02/2016

Ayer Lubos Motl desarrollaba un tema que le comentaba en otra entrada, y que también señalo en mi artículo, sobre el paper en el que Einstein descartaba la existencia de ondas gravitacionales en 1936, y que el Physical Review, sin caer en sesgos de autoridad, rechazaba por erróneo: Corrected title: Einstein was wrong again, gravitational waves exist.

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