Ondas gravitacionales: una conexión con la vida

25/06/2016 6 comentarios
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Todos en el mundo estamos muy contentos por la detección directa de las esquivas ondas gravitacionales, que fue anunciada recientemente por un consorcio científico internacional. Miles de artículos especializados y divulgativos se han escrito en estos meses sobre el sonado tema. Pero, más allá de una "curiosidad" científica o de la confirmación (por enesima vez) de la exitosa teoría general de la relatividad, ¿qué tienen que ver las ondas gravitacionales con nuestras vidas? ¿existe alguna relación entre ellas y temas más triviales como el valor de los metales preciosos en los mercados del mundo, el calentamiento global, los tsunamis en Japón o nuestra propia existencia?

2 eventos de coalescencia con emisión de ondas gravitacionales han sido confirmados por LIGO.  Un tercero es apenas un candidato.  Crédito: LIGO Collaboration.

En el último trimestre de 2015 nuestra especie consiguió uno de los hitos tecnológicos y científicos más importantes de la historia: detectar "temblores de espacio" tan minúsculos que hacen ver a los protones como gullivers subatómicos; más increíble aún, estos temblores detectados en la Tierra apenas hace unos meses, fueron producidos por catástrofes astrofísicas producidas miles de millones de años atrás en el tiempo en un lugar remoto del universo. ¡Toda una hazaña!

Naturalmente me refiero a la detección de las que serían por lo menos 3 fuentes de ondas gravitacionales anunciada por la colaboración LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) entre abril y junio del presente año.

Podría decirse, sin temor a equivocarnos, que este logro representa un punto de inflexión en la evolución de la inteligencia en la Tierra. ¿Cuántas civilizaciones en la Galaxia (si hay más de una, no lo sabemos) lo habrán conseguido hasta ahora? Me atrevería a decir que las civilizaciones extraterrestres se dividen entre las que no han detectado las ondas gravitacionales y las que sí. La humanidad pertenece ahora al exclusivo "club" de aquellas civilizaciones que las han detectado. ¡Enhorabuena para todos!

Pero más allá de la excitación de físicos y astrofísicos y de aficionados y entusiastas de estas disciplinas por igual, ¿existe alguna razón por la que el resto de la humanidad deba considerar este como un descubrimiento con consecuencias profundas en sus vidas? ¿Se avizora alguna aplicación tecnológica en el mediano o largo plazo de estos "temblores de Einstein"? O ¿el descubrimiento de las ondas gravitacionales nos ayudará a resolver algún asunto apremiante para nuestra agobiada sociedad? ¡Tal vez no por ahora! (o por lo menos no lo sabemos todavía).

Aun así, que sea esta la oportunidad para poner de relieve algo que científicos planetarios, astrofísicos y físicos saben bien desde hace un par de décadas (aunque tal vez no todos sean conscientes de la conexión): sin ondas gravitacionales la Tierra que habitamos serían un lugar muuuyyy distinto. Peor aún, sin ellas este sería tal vez un planeta estéril.

Pero, ¿cómo es eso?

Comencemos por decir que la emisión de ondas gravitacionales es responsable de algunos de los mayores desastres astrofísicos. Si bien las fuerzas electromagnéticas y nucleares son las causantes de las explosiones más violentas y vistosas que conocen los astrónomos, es decir de las supernovas e hipernovas, ambos fenómenos se quedan pequeños frente a la "fusión" o "coalescencia" de dos objetos supercompactos (agujeros negros o estrellas de neutrones).

Se calcula por ejemplo que en la coalescencia de los dos agujeros negros que observó LIGO en septiembre de 2015, se produjo tanta energía en ondas gravitacionales que si pudiéramos convertir en luz esa energía, el choque habría sido más luminoso que todas las estrellas del universo observable juntas, al menos durante las decenas de milisegundos que duró.

Está bien, el choque de los agujeros negros produce muchas ondas gravitacionales, pero, ¿cómo pueden ser las ondas gravitacionales responsables en primer lugar de ese mismo choque? Si no existieran las ondas gravitacionales el par de monstruos hermanos, que nacieron en un fenómeno astrofísico aún desconocido, nunca habrían chocado en primer lugar. El giro con el que se formaron uno alrededor del otro se habría conservado por toda la eternidad.

Dice la relatividad general que si dos objetos orbitan uno alrededor del otro (la Tierra y la Luna, el Sol y Júpiter, dos agujeros negros, etc.), producen una alteración fluctuante del espacio-tiempo a su alrededor. Esta alteración termina propagándose como un "chisme" a lugares muy remotos del universo. Este chisme es justamente lo que los expertos llaman ondas gravitacionales.

Pero enviar un mensaje (un chisme) en todas direcciones requiere "energía". Así, la emisión de ondas gravitacionales termina "pasando factura" a los cuerpos que como resultado se van acercando mutuamente girando cada vez más rápido. Al final ambos coalescen en una "orgía rotacional" responsable justamente de las "intensas" ondas gravitacionales que pudo detecto LIGO el año pasado.

La coalescencia de objetos compactos por emisión de ondas gravitacionales no es sin embargo un fenómeno exótico en el universo, como parecería indicarlo el hecho de no haberlo observado antes en la historia de la astronomía. Es solo que para que poder detectar con las tecnologías presentes un fenómeno como estos, se necesitaba que los dos objetos que se fusionaran fueran verdaderos gigantes. Dichos objetos no abundan por aquí cerca.

Se calcula que cada ~20.000-50.000 años tan solo en nuestra propia Galaxia, dos estrellas de neutrones hermanas o una estrella de neutrones y un agujero negro, se fusionarían después de un largo baile que dura más de 100 millones de años durante el cual se emitieron ondas gravitacionales de forma permanente. En lo que lleva la humanidad sobre la Tierra se deben haber producido un par de estos eventos, pero solo hasta ahora estamos alcanzando la sensibilidad tecnológica suficiente para detectarlos.

¿Y dónde entramos todos nosotros o la vida en la Tierra en esta historia?

Según las más avanzadas simulaciones computacionales de la coalescencia de estrellas de neutrones, durante estos eventos violentísimos se producen procesos nucleares sin parangón en otros rincones del universo. La corteza de estos exóticos objetos (las estrellas de neutrones) está compuesta en su mayoría de núcleos atómicos inestables ricos en neutrones, además, por supuesto de un mar de neutrones libres. Durante la coalescencia con otra estrella de neutrones o un agujero negro, dicha corteza es desgarrada violentamente. Neutrones y núcleos pesados vuelan por todos lados a casi un tercio de la velocidad de la luz, fusionándose aquí y allá. Al final, emergen del proceso cuatrillones de toneladas de algunos elementos químicos bastante familiares para nosotros: platino, oro, uranio entre muchos otros.

Abundancia observada de los elementos químicos en el Sistema Solar (círculos blancos) y aquella producida durante la coalescencia de dos estrellas de neutrones.  La masa atómica de los isótopos del Oro, el Platino, el Torio y el Uranio ha sido indicada.  Fuente: Goriely et al. (2011), Crédito: Astrophysical Journal Letters.

Según los estimativos, del choque de dos estrellas de neutrones idénticas podría emerger un "caldo" rico en elementos más pesados que el hierro que sumaría en total mas de 10 veces la masa de Júpiter. En ese caldo habría fácilmente una cantidad de uranio, por ejemplo, tan grande como toda la masa de la Tierra. El platino y el oro podrían sumar juntos el equivalente a 10 veces la masa de nuestro planeta.

Hasta hace unos años las explosiones de supernova, que son fenómenos relativamente frecuentes en la Galaxia (en promedio 1 o 2 cada siglo), se consideraban los calderos de todos los elementos más pesados que el hierro. Sin embargo los procesos nucleares capaces de crear algunos de los elementos más pesados, conocidos técnicamente como "procesos de captura rápida de neutrones", se producirían en las supernovas en condiciones muy diferentes a las necesarias para explicar la abundancia observada en el sistema solar de estos mismos elementos.

Esto ha llevado en años recientes a los astrofísicos nucleares a pensar que el lugar natural para la creación de los elementos pesados es la colisión de estrellas de neutrones. Si bien estos eventos son mucho menos frecuentes, los astrofísicos han calculado que ocurrirían a lo largo de la historia de la Galaxia en cuantía suficiente para explicar las abundancias observadas.

De verificarse este hecho, el 95 % del oro en ese collar que lleva puesto, habría sido sintetizado gracias a la coalescencia de dos estrellas de neutrones. Coalescencia que solo pudo ocurrir gracias a la emisión de ondas gravitacionales. ~0,2 miligramos de su cuerpo, que hoy se sabe son oro puro (¡aunque no lo crea!) vienen directamente de la corteza de estrellas de neutrones destruidas por su mutua gravedad después de emitir ondas gravitacionales. Así mismo casi todo el oro extraído en las minas de Centro y Sur América durante la Colonia Española y casi la totalidad del metal almacenado en el Departamento del Tesoro de los Estados Unidos, no sería más que detritos nucleares de estrellas de neutrones desmembradas hace miles de millones de años. Todo el platino y el oro de su disco duro (~3 %) habrían sido producidos en el mismo proceso.

En síntesis al parecer las ondas gravitacionales tienen su propia cuota en los conflictos que han afectado a la humanidad durante milenios en su búsqueda y comercialización de estos metales preciosos.

Pero si se tratará solo de metales preciosos y nuestra irracional admiración hacia ellos, esta no sería más que una curiosa conexión sin impacto mayor sobre la vida en el planeta. Pero existe un vínculo aún más profundo entre nosotros y la vida en la Tierra con las ondas gravitacionales y los eventos que se producen gracias a ellas.

En una entrada de blog anterior (Las baterías nucleares de la Tierra) describía el descubrimiento reciente de que casi 3/4 partes del calor producido en el interior de nuestro planeta provienen de la desintegración de por lo menos 2 isótopos inestables de larga vida media: torio-232 y uranio-238.

Sin esos isótopos y el calor que descargan continuamente debajo de nuestros pies, el manto de la Tierra (que es la capa existente entre la corteza o litosfera y el núcleo) sería un lugar más frío y mucho más estático. En contraposición nuestro planeta, que literalmente tiene baterías nucleares, posee un manto cálido y dinámico.

La actividad del manto es responsable, entre otras cosas, del movimiento de las placas tectónicas (fragmentos de corteza), de la creación de nueva corteza (continentes y suelo oceánico) y de un continuo intercambio de gases entre la atmósfera y el interior de nuestro planeta. Estos fenómenos juntos crean las condiciones además para que el calor atrapado en el centro de la Tierra fluya con soltura dando lugar al campo magnético que protege a nuestro planeta, su atmósfera y la vida que crece en ella contra las agresiones electromagnéticas externas.

Sin el torio y el uranio, que parece ser fabricados como expliqué antes en la coalescencia de estrellas de neutrones, después de la emisión durante millones de años de ondas gravitacionales, la Tierra sería un planeta muy distinto; un planeta tal vez desprovisto de vida.

En síntesis, el que parece ser simplemente un descubrimiento de interés profundo para físicos y astrónomos, es en realidad la confirmación definitiva de la existencia de uno de los mecanismos responsable de la creación de elementos químicos importantes para que la vida sea posible en el universo.

Puede que no vayamos a construir mañana una cohete propulsado por ondas gravitacionales que nos lleve a rincones remotos del universo; tampoco encontraremos pasado mañana alguna increíble aplicación en la medicina de estas ondas. Pero sí resulta interesante saber que existe una conexión entre todos nosotros y los temblores de espacio-tiempo recién detectados por el hombre.

Algunas referencias interesantes:

  • Cosmic neutron-star merger rate and gravitational waves constrained by the r-process nucleosynthesis, Vangioni et al. MNRAS (2016) Vol. 459 4174-4182.

  • Nucleosynthesis of Gold, Philip Barton en The Gold Standard Institute International (2013), Link: http://bit.ly/298CBXn (Visitado: Junio 25 de 2016).

  • Goriely, Stephane, Andreas Bauswein, and Hans-Thomas Janka. "R-process nucleosynthesis in dynamically ejected matter of neutron star mergers." The Astrophysical Journal Letters 738.2 (2011): L32.

  • Arnould, Marcel, Stéphane Goriely, and Kohji Takahashi. "The r-process of stellar nucleosynthesis: Astrophysics and nuclear physics achievements and mysteries." Physics Reports 450.4 (2007): 97-213.