Cómo el Universo empezó a conocerse a sí mismo, parte I
O cómo un conjunto de átomos de polvo de estrellas, evolucionó hasta ser capaz de encontrar y comprender su lugar en el espacio y el tiempo cósmicos.
El 14 de Setiembre de 2015, una onda atravesó todo lo que existe en la Tierra: humanos, animales, árboles, rocas, teléfonos, barras de chocolate y todo lo demás. Esto no se puede lograr con una onda electromagnética normal, como una onda de radio o luz, ya que éstas son absorbidas o dispersadas por diferentes materiales. Esta onda no era una onda cualquiera, era una onda de espacio-tiempo, producida hace mil millones de años, cuando apenas se estaban formando los primeros organismos multicelulares en la Tierra. ¿Cómo llegamos los humanos a este punto de poder predecir y medir ondas de “espacio-tiempo”? Si el espacio y el tiempo son conceptos tan firmes en nuestra conciencia, tan claros en nuestra experiencia cotidiana (por un lado, el espacio rígido tridimensional por dónde nos movemos, -aunque algunas personas poco viajeras pasen viviendo su vida casi en dos dimensiones- y por otro lado el tiempo siempre cambiante, que marca el progreso de nuestras acciones), ¿cómo es posible que en realidad el espacio y el tiempo se mezclen en una sustancia que fluye, se deforma, se curva y permite propagar ondas como olas en el mar?
Y lo más sorprendente no es eso, sino que seres hechos de unos cuántos átomos pesados, producto del polvo remanente de colapsos de estrellas, unidos en grupos de moléculas y células por medio de fuerzas electromagnéticas, hayan desarrollado la capacidad de comprender conceptos contra-intuitivos y de medir distancias e intervalos de tiempo muchas órdenes de magnitud por encima o por debajo de cualquier posible experiencia cotidiana. Y no me mal interpreten en este punto, no estoy diciendo que nosotros los físicos seamos seres especiales. El hecho de que hayamos abierto una nueva ventana de observaciones del Universo con las ondas gravitacionales, se debe al esfuerzo de la humanidad como un todo. A pesar de las guerras, la intolerancia, las enfermedades y muchos otros males, el ser humano siempre ha tratado de superarse: desde producir alimentos más eficientemente hasta desarrollar el arte y la cultura, sin los cuales no habría la fuente de creatividad necesaria para producir complicadas y bellas teorías científicas. Y desde un punto de vista más concreto, el hecho de que a pesar de todo lo que los políticos y los ejércitos desperdician en tiempo y dinero de nuestros recursos, aún exista un apoyo global por financiar grandes experimentos, estudiantes e instituciones científicas, habla muy bien de nosotros como raza.
Ideologías políticas, dogmas religiosos y costumbres, van y vienen, pero una simple idea ha sido el hilo conductor del progreso de la humanidad en los últimos 500 años: la ciencia, cómo método y como principio. Gracias a ella, nos liberamos de supersticiones, tenemos la medicina moderna que salva millones de vidas al año, agricultura eficiente que nos provee alimentos y tecnología que mejora nuestra conectividad y nuestras vidas, como el Internet y los teléfonos. Claro, también ha ocasionado cosas negativas, como la creación de armas y el calentamiento global producto de la revolución industrial, pero esa discusión la dejaré para un próximo capítulo.
Este texto es el primero de una pequeña serie acerca de los descubrimientos más relevantes en la física moderna, con un enfoque hacia la cosmología y la astronomía. Para poder explicar un poco lo que sabemos hoy sobre nuestro lugar en el Universo, necesitaré mencionar de vez en cuando gran parte de la historia de la física, desde la mecánica de Galileo y Newton, pasando por Maxwell y la luz, la cuántica de Planck y compañía, hasta por fin llegar a la relatividad de Einstein y el interesante siglo XX lleno de descubrimientos sorprendentes y difíciles de entender para el público general. Y luego trataré de filosofar acerca de una duda que siempre aparece en este tema: ¿Estaba todo esto ya predestinado a ser descubierto por las mismas leyes de la física, basado en las condiciones iniciales del Universo, o tal vez existe realmente un libre albedrío y una consciencia por encima de nosotros, que nos permite crear a partir de la suma de unas pocas partes, algo de mayor trascendencia?
En todo caso, empecemos ahora con una descripción del descubrimiento tan importante revelado el 11 de Febrero de 2016.
Ondas gravitacionales y el progreso tecnológico
Para poder medir las ondas gravitacionales, predichas hace 100 años por Albert Einstein, como consecuencia directa de su Teoría General de la Relatividad (GR), fueron necesarias décadas de desarrollo científico y tecnológico. No sólo no existían los instrumentos, sino que para interpretar la señal se necesitó desarrollar por años la física y astrofísica teórica y la ingeniería y la física computacional. Es increíble y curioso a la vez, que se necesite tanto conocimiento moderno, para poder medir algo que predice una teoría que tiene un siglo de existir.
Las ondas fueron descubiertas gracias a dos detectores independientes, conocidos como interferómetros láser. Uno en el el Noroeste de Estados Unidos y otro en el Sur. Cada interferómetro está compuesto de dos brazos de 4km cada uno, por los cuales pasa un láser que se refleja múltiples veces y es unido nuevamente en el centro.
—Link: http://www.ligo.org/science/GW-Multiple.php#sthash.mVR59Edr.dpuf
La idea básica es que una onda gravitacional, es una pequeña perturbación en el fluido del espacio-tiempo y por lo tanto al pasar por el detector en forma de “L”, un brazo se hará más largo que el otro por una minúscula cantidad. Esto hará que la luz del láser ya no esté en fase en ambos brazos y al llegar al centro, se cree un patrón de interferencia óptico, que será interpretado como la señal.
En realidad todo el proceso es mucho más complicado, pero no es necesario entrar en detalles aquí. Lo importante es que estamos hablando de variaciones en la longitud de los brazos de apenas 10^-22 m, es decir apenas una milésima parte del núcleo de un átomo!!
El hecho de que variaciones así de pequeñas puedan ser medidas, es ya un logro impresionante de la física y la ingeniería y demuestra porqué tomó tanto tiempo en construirse un detector funcional.
Los láseres necesarios para los interferómetros, fueron apenas desarrollados en los años 70, pero el tipo de láseres necesarios para una medición así de precisa, fueron apenas desarrollados hace pocos años. Otra cosa curiosa es que justo los interferómetros de este tipo, llamados interferómetros de Michelson, fueron usados como uno de los primeros experimentos para falsificar la teoría del Éter, que dio paso a la aceptación de la Relatividad Especial.
Los espejos y otros materiales del interferómetro tienen que ser extremadamente precisos y son hechos a partir de materiales que no existían hasta hace algunos años. La construcción del aparato tiene que ser extremadamente insensible a ruido térmico y sísmico y para eso, se necesitan tecnologías muy novedosas.
El GPS, para poder medir posiciones con extrema precisión en la tierra y poder saber la ubicación de los equipos, apenas maduró en los 80's y 90's y por cierto, el GPS tampoco sería posible sin la Teoría General y Especial de la Relatividad (sobre esto más adelante en otro capítulo). Sin el Internet y la WWW (desarrollado en 1995 en el laboratiorio de física nuclear, CERN) no se podría tener una red de detectores interconectados en tiempo real. Aún más importante, para poder interpretar la señal y deducir que se trata de la colisión de dos agujeros negros, fueron necesarias décadas de progresos computacionales en hardware (procesadores, supercomputadoras, procesamiento paralelo, redes, etc.) y décadas de progreso teórico en ciencias de la simulación computacional y las matemáticas numéricas (relatividad numérica y solución de ecuaciones diferenciales parciales).
¿Cómo sabemos que la señal medida el 14 de Setiembre es real y no sólo ruido del ambiente? Bueno, en el gráfico siguiente podemos ver como la misma señal, con la misma forma de la frecuencia, llegó primero a un detector y luego al otro, con una diferencia de 6.9 milisegundos. La luz necesitaría 10ms para viajar entre ambos lugares, entonces al saber entonces la forma de la onda y su tiempo de llegada, esta información nos da una idea de la dirección de la cual viene la señal en el espacio.
Como se puede apreciar en el gráfico, la señal calza perfectamente con la predicción de relatividad numérica. Esta área de la física, se encarga de calcular y simular mediante avanzadas técnicas computacionales, la dinámica y las características de objetos astrofísicos en regímenes donde la gravedad es extremadamente fuerte (millones de veces más fuerte que aquí en la tierra), como por ejemplo colisiones de estrellas de neutrones, pulsares y colisiones de agujeros negros.
Este experimento de LIGO demuestra como todas las áreas de la ciencia, se pueden unir eficientemente para lograr un sólo objetivo. Esto es el método científico en plena acción, pero también demuestra que la curiosidad y la capacidad intelectual del ser humano, no tienen límite cuando son usadas en forma correcta.
Agujeros negros, por primera vez detectados directamente
Para terminar este capítulo, quiero hablar ahora de otra consecuencia importante de la medición de ondas gravitacionales. Como mencioné hace un par de párrafos, la predicción de relatividad numérica, calza increíblemente bien con la señal de las ondas medidas. ¿Cual es esta predicción? Pues bueno, LIGO detectó la colisión de dos agujeros negros!
Aunque teníamos muchísimos indicios de que los agujeros negros existen, debido a núcleos activos de galaxias y expulsiones de rayos gamma (por ejemplo explicadas en esta página de la ESO ) o indicios del mismo centro de nuestra Vía Láctea, no teníamos una comprobación tan directa de su existencia como hasta ahora. A pesar de que los agujeros negros son ya hace mucho parte de la cultura popular, aparecen en muchas películas de ciencia ficción (recientemente incluso usando relatividad numérica para visualizarlos, como en Interstellar) y son siempre asociados popularmente al famoso físico teórico Stephen Hawiking, es muy diferente saber que de verdad están ahí y que de verdad colisionan violentamente deformando el espacio y el tiempo. Es un sentimiento a la vez reconfortante e inquietante.
Por cierto, los agujeros negros fueron predichos por el físico Karl Schwarzschild, también justamente hace 100 años, en 1916 cuando se encontraba luchando en medio de la primera guerra mundial. Esta solución a las ecuaciones de Einstein, fue bastante controversial al inicio, pero es una de las soluciones exactas más básicas y más simétricas de las ecuaciones de campo de la Relatividad General.
¿Qué hay detrás del horizonte de sucesos? El horizonte de sucesos es esa superficie esférica perfectamente negra (con excepción de la radiación de Hawking), que absorbe todo lo que la atraviesa y luego nos dirige sin opción alguna a la singularidad en su centro. ¿Sabremos algún día que pasa en esa singularidad, será una puerta a otros universos, hay una pérdida de la información para siempre? Los agujeros negros no son sólo objetos negros por su color, sino que son extremadamente misteriosos y esconden muchas interrogantes acerca de la interacción entre gravedad y mecánica cuántica.
Pues ahora con el descubrimiento de ondas gravitacionales, tengo más fe en la humanidad y en que si sabemos guiar a nuestra especie por el camino de la no-autodestrucción, en unos 100 años sabremos la respuesta a muchas de estas preguntas.
Estos objetos que fueron detectados por LIGO, tienen masas de unas 60 veces la masa de nuestro Sol y estaban rotando uno alrededor del otro a velocidades de más de la mitad de la velocidad de la luz.
Sería imposible describir con palabras lo que le sucedería a un viajero espacial estando cerca de esta masiva colisión de agujeros negros. Debido a las velocidades relativistas y a la gran masa y proximidad de estos objetos, las fronteras usuales entre espacio y tiempo serían muy difusas y sería muy difícil saber lo que está pasando estando justo allí. Por suerte tenemos una descripción matemática de la teoría y podemos simularla en una computadora.
La energía liberada en esta colisión, fue de 3 masas solares!! Para los que aún no se sorprenden con este número en términos de energía, hay dos opciones, usen la famosa fórmula de Einstein, E=mc², donde c es la velocidad de la luz y m sería 3 veces la masa del Sol en kilogramos, que es algo así como 1000000000000000000000000000000 kg. Este 1 con 30 ceros, no les cabría en la cabeza y menos si lo multiplicaran con 300000000 elevado al cuadrado, que es la velocidad de la luz en metros por segundo. Aquí hay un link a una calculadora especial, que facilita este cálculo. Ese número ridículo que obtendrían, sería la energía liberada en Joules. 1 Joule es más o menos la energía necesaria para lanzar una manzana 1 metro hacia arriba. Un gramo de materia convertida a energía correspondería a aproximadamente 90 Tera-Joules. Eso son unos 25 millones de kilowatios-hora. Con esa energía, podríamos mantener prendida una bombilla de 100 watios durante 285 siglos. Ahora imagínense la energía de 3 masas solares!
Claro, a nosotros no nos llegó una cantidad de energía de esa magnitud, ya que la onda se expande esféricamente y distribuye su energía en la superficie de esa esfera que va creciendo conforme el frente de onda va avanzando, igual que lo hace una onda de sonido. La distancia a la que se encontraban los agujeros negros, que es de más de mil millones de años luz, hace que su energía se haya distribuido sobre un área inimaginablemente grande. Por eso percibimos una variación en la longitud de los brazos de los detectores, de apenas una milésima parte de un núcleo atómico. Esta es otra unidad de longitud difícil de entender. Nosotros somos tan grandes comparados con una milésima de núcleo atómico, como lo es toda nuestra galaxia comparada con el tamaño de un ser humano. (Ver este link de la escala del universo, para tener una idea)
Se ha abierto una nueva ventana de observaciones astronómicas, igual a cuando Galileo dirigió su telescopio a las lunas de Júpiter por primera vez. Pronto habrán más detectores de ondas gravitacionales funcionando en paralelo, en el espacio así como en la Tierra y su sensibilidad mejorará con los años. Seremos capaces de observar y poner a prueba la teoría de la gravedad en regímenes nunca antes vistos y descubriremos definitivamente nuevos objetos y procesos astrofísicos. En un futuro podremos incluso usar las múltiples detecciones de ondas gravitacionales para saber más acerca de la expansión del Universo y la naturaleza de la energía y la materia oscura.
Pronto espero lograr escribir otro artículo como este, explicando un poco el porqué estamos tan seguros de que existe este sector “oscuro” del Universo que aún no hemos podido descifrar. Para esto necesitaremos nuevamente la Teoría General de la Relatividad, Cosmología y un poco de Astrofísica que contiene un poco de todo. Continuará…
