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El espacio y el tiempo se deforman. El tiempo puede transcurrir más rápido o más lento en ondulaciones que lo comprimen y lo dilatan.
Ondas gravitacionales
Las distorsiones del espacio y los cambios del tiempo de los que hablan los físicos son distintos a las percepciones y sentimientos de los que hablan los psicólogos, aunque se atribuye a Einstein la explicación con base sensorial que dio a su secretaria, Helen Dukas, sobre la relatividad del tiempo: “Una hora sentado con una chica guapa en un banco del parque pasa como un minuto, pero un minuto sentado sobre una estufa caliente parece una hora”. Ésta es una descripción metafórica que no describe precisamente lo que ahora se observa como ondas gravitacionales, las cuales realmente acortan y alargan los instantes de todos: de los que están sentados en el parque al lado de una mujer hermosa y de los que sufren sentados en una estufa.
El fenómeno que se anuncia como observación directa de ondas gravitacionales representa un descubrimiento de gran importancia. Sin duda es uno de los avances más relevantes en lo que va del siglo. Las ondas gravitacionales no son otra cosa que la elongación y contracción real del espacio y el tiempo más allá de la impresión subjetiva que un estado emocional nos puede producir.
Una onda es, por lo general, el movimiento oscilatorio del medio en que se propaga, como las ondas en el aire que producen el sonido. También puede ser cambios en los campos eléctricos y magnéticos, como en el caso de las ondas de radio o la misma luz. Las ondas gravitacionales de las que estamos hablando son cambios del espacio y el tiempo. Cuando objetos muy masivos se mueven aceleradamente, modifican el espacio y el tiempo a su alrededor, y ese cambio se propaga como una onda. Contamos, desde septiembre de 2015, con un detector capaz de medirla.
Desde hace mucho tiempo se han construido detectores para observar ondas gravitacionales. En la Organización Europea para la Investigación Nuclear (cern), que aloja al acelerador más potente de todos los tiempos —el Gran Colisionador de Hadrones—, se tuvo hace tiempo el primer detector criogénico de este tipo, pero ya antes se había construido otro tipo de detectores. Pocos en el cern sabían que en un silencioso pabellón se encontraba un contenedor cilíndrico de tres metros de longitud con una barra de aluminio en su centro. El aislamiento absoluto del mundanal ruido era esencial para la barra de metal cuidadosamente velada por docenas de sensores. Así eran en los años ochenta los detectores que buscaban escuchar lo que ocurre en el cielo.
Yo conocí el detector, llamado “Explorer”, en el cern antes de que fuera desmontado en 2009. Pude visitarlo gracias a la amistad que tengo con el trabajador que transporta nuestros equipos y que, además, suministra nitrógeno líquido a varios experimentos. Con él pude entrar, en calidad de ayudante, a muchos lugares de acceso altamente restringido. Así conocí las entrañas de Isolde, complejo impresionante donde se estudia la materia nuclear excitada. También entré al mismo corazón de la fábrica de antimateria que se produce con el único decelerador del mundo. Ser ayudante del transportista me llevó a muchos otros sitios a los que sólo tenían acceso los especialistas de cada experimento en el laboratorio más grande del mundo. Cuando un día tuvo que llevar nitrógeno líquido al detector de ondas gravitacionales, me dijo “voy a suministrar nitrógeno a la ‘oreja cósmica’”. Fue entonces que tuve la fortuna de conocer el detector de ondas gravitacionales que por 20 años esperó una señal de la bóveda celeste. Una onda gravitacional hubiese hecho vibrar la barra enfriada con helio a dos grados kelvin de la misma manera en que lo hace el golpe de un martillo.
Sin embargo, la sensibilidad del detector no fue suficiente para ver las señales que hoy sabemos que existen y que son muy pequeñas. Cuando el Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (ligo) entró en funcionamiento en 2004, Explorer comenzó a contar sus días. La señal no llegó nunca y hoy es pieza de museo en Cascina, Italia. Mientras tanto, ligo celebra lo grandioso de un diseño espectacular capaz de sentir la menor vibración en los confines del universo.
Boxing Day
El 26 de diciembre el Reino Unido y algunos países que pertenecieron al Imperio británico celebran el Boxing Day. Ese día se hacen donaciones y regalos a los pobres como parte de una tradición muy antigua. Es por eso que se llamó “evento Boxing Day” a lo que ocurrió ese día del año pasado en el laboratorio ligo. Eran las 10:38 de la noche del 25 de diciembre en Estados Unidos, donde se localiza el experimento —y las 3:38 de la madrugada del Boxing Day en Gran Bretaña—, cuando el ligo registró la segunda señal de lo que parecía ser la fusión de dos agujeros negros situados a 1.4 mil millones de años luz de nosotros.
Regalo de Navidad en Estados Unidos, regalo para los pobres en Inglaterra, dicho evento es el segundo en su tipo. Aunque muchas veces ser el primero es lo que importa, en esta ocasión el segundo fue el mejor porque nos mostró que no se trataba de un error. ligo sí parece estar observando ondas gravitacionales.
El experimento de interferencia láser para la observación de ondas gravitacionales cuenta con dos estaciones separadas por más de 3 mil kilómetros. Una se encuentra en Hanford, al noroeste de los Estados Unidos, y la otra en Livingston, cerca de la desembocadura del río Misisipi en la zona pantanosa junto a la costa del Golfo de México.
Las ondas gravitacionales se parecen a las ondas que vemos en el agua cuando se arroja a ella una piedra, pero su naturaleza es muy distinta; son oscilaciones del espacio y el tiempo que se comportan como si fueran de plastilina.
Aunque en 1993 se otorgó el premio Nobel por la primera evidencia indirecta de estas oscilaciones, no se habían podido observar de manera directa hasta ahora. Lo relevante del los recientes descubrimientos es que se puede ver el efecto directo que objetos astronómicos producen al ser acelerados, lo que no sólo confirma la naturaleza del espacio y el tiempo que nos ofrece la teoría general de la relatividad, sino que es, además, evidencia indirecta de la existencia de agujeros negros, y es, sobre todo, una nueva manera de observar el universo.
El primer evento observado en ligo ocurrió el 14 de septiembre de 2015, y el estudio de ese pulso cósmico llevó a la conclusión de que se había originado en la fusión de dos agujeros negros hace 1.3 mil millones de años luz. Las dos estaciones dieron cuenta de la vibración del espacio tiempo. La onda llegó de manera oblicua para tocar primero a la estación de Livingston y luego —siete milisegundos más tarde— a la de Hanford. Esto nos hace pensar que la fuente se encontraba en el hemisferio celestial sur, en direccion a las Nubes de Magallanes.
Los agujeros negros tenían, uno, 36 masas solares, y el otro, 29. Al fundirse los dos se debió haber formado otro agujero negro de 62 masas solares, de tal manera que tres masas solares se disiparon en energía, la cual provocó una distorsión espacio-temporal que llegó a nuestro planeta mucho tiempo después.
| El tiempo se desenvuelve, sigue su curso, un instante después del otro, a veces más lento, luego más rápido. La física moderna nos ha mostrado que el tiempo es un lugar como lo es el espacio |
El evento del Boxing Day llegó a los dos detectores casi al mismo tiempo. Hanford lo vio primero y tan sólo 1.1 milisegundos después fue observado en Livingston. Esto significa que la colisión de los agujeros negros, en esta ocasión, debió ocurrir muy lejos, en un anillo equidistante a los detectores. Por eso la onda producida llegó casi de manera simultánea. En este segundo evento los agujeros negros que pudieron originar las ondas gravitacionales son 14 y 8 veces más masivos que el sol. El agujero negro que se formó en esta ocasión es de aproximadamente 21 masas solares, lo que originó una señal más débil que la anterior, pero más duradera. El evento del Boxing Day duró un segundo. Otro aspecto novedoso es que uno de los dos agujeros parecía estar rotando antes de fundirse con el otro.
El experimento ligo utiliza un detector gigantesco, a diferencia del Explorer y de los detectores de los años ochenta que cabían en un jacalón de pocos metros cuadrados. ligo representa el cambio de escala en los detectores de este tipo. Se trata de una estructura en escuadra con brazos de cuatro kilómetros de largo por cuyas ramificaciones se envía un haz láser infrarrojo hasta un espejo extraordinario por sus cualidades de reflexión. Pulidos al nivel de precisión nanométrica, los materiales del espejo absorben sólo uno de cada 3 millones de fotones que el láser le envía. De esta forma disminuyen los cambios por lo que se producen con variaciones de temperatura. El aislamiento de las vibraciones es central para la medición.
Una onda gravitacional modificaría la longitud de los brazos, comprimiendo uno y alargando el otro, de una manera microscópica pero suficiente para producir un patrón de interferencia al momento de sumar la luz de los haces que van y vienen en dirección perpendicular. La colaboración de ligo ha asegurado, en comunicado de prensa, que el arreglo experimental puede revelar contracciones menores al tamaño de un protón. Un protón mide 10-15 metros, esto es un punto seguido de 14 ceros y un 1. ligo puede medir cambios en la longitud del brazo de 10-19 metros, esto es 18 ceros después del punto.
Cuando las ondas gravitacionales de septiembre y diciembre de 2015 pasaron por nuestro planeta, todos nos alejamos unos de otros para luego acercarnos y finalmente volver a la situación original. Pero no sólo eso, el tiempo transcurrió más lentamente y luego avanzó con mayor rapidez para volver al ritmo en que vivimos. Las magnitudes de este cambio fueron imperceptibles para nuestros sentidos pero detectables para ligo.
El tiempo se desenvuelve, sigue su curso, un instante después del otro, a veces más lento, luego más rápido. La física moderna nos ha mostrado que el tiempo es un lugar como lo es el espacio. Más aún, hoy sabemos que, junto con el espacio, el tiempo no es sólo el punto en que habitamos, sino que es también parte de los objetos y, en cierta forma, surge de ellos mismos. Los objetos modifican el espacio y el tiempo a su derredor de manera ineludible.
Gerardo herrera corral es doctor en Ciencias por la Universidad de Dortmund, Alemania, e investigador titular del Departamento de Física del Cinvestav.
Referencias
Davide Castelvecchi, “LIGO Detects Whispers of Another Black-Hole Merger”, Nature, 15 de junio de 2016 .
- AA., Albert Einstein: El libro definitivo de citas, Plataforma Editorial, Barcelona, 2015.
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