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  • 16/07/2017

Física

Un extraño ruido en los datos de las ondas gravitatorias provoca un debate

El equipo que detectó ondas gravitatorias puso sus datos en Internet. A mediados de junio, un grupo de investigadores sostuvo que habían encontrado un problema, que podría ser grave.

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La detección de ondas gravitatorias obliga a extraer el ruido que envuelve a la señal genuina. No es una tarea trivial [Olena Shmaholo/Quanta Magazine (detalle). Fuente: LIGO Lab/Caltech/MIT].

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En febrero de 2016, las colaboraciones LIGO y Virgo anunciaron la primera detección directa de ondas gravitacionales. El hito culminaba una carrera experimental de más de cinco décadas y marcaba el nacimiento de una nueva era en la exploración del cosmos. Pero ¿qué son las ondas gravitacionales? ¿Por qué resultan tan difíciles de observar? ¿Cuándo se obtuvieron los primeros indicios de su existencia? ¿Nos permitirán algún día «ver» la gran explosión que dio origen al universo? Este monográfico digital (en PDF) te ofrece una selección de los mejores artículos publicados en Investigación y Ciencia sobre la búsqueda científica y técnica de uno de los fenómenos más elusivos predichos por la teoría de la relatividad de Einstein.

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En febrero de 2016, los responsables del Observatorio de Ondas Gravitatorias por Interferómetría Láser (LIGO) anunciaron que habían logrado detectar ondas gravitatorias generadas por la colisión de dos agujeros negros. Dieron una rueda de prensa en Washington para anunciar el memorable hallazgo. Y publicaron los datos.

Un equipo de físicos no relacionados con LIGO los examinó de forma detallada y se encontró con unas, así las llaman ellos, extrañas correlaciones que no deberían haber estado allí. El equipo, dirigido por Andrew Jackson, físico del Instituto Niels Bohr de Copenhague, sostiene que la inquietante señal podría ser lo bastante significativa como para poner en duda el descubrimiento entero. Los efectos potenciales de las correlaciones no explicadas «podrían ir de una modificación menor de la forma de onda extraída al rechazo total del descubrimiento [de ondas gravitatorias] anunciado por el LIGO», le escribía Jackson en un mensaje de correo electrónico a Quanta. Los representantes del LIGO dicen que es posible que haya algunas correlaciones sin explicar, pero no afectarían a las conclusiones del laboratorio.

El 13 de junio de 2017, Jackson y otros cuatro coautores publicaron su crítica en el repositorio de preimpresiones de artículos de física arxiv.org. El artículo suscitó un interés considerable, lo que movió a Ian Harry, investigador del Instituto Max Planck de Física Gravitacional, en Potsdam-Golm, y miembro de la Colaboración Científica LIGO, a publicar una réplica cinco días después. Harry sostenía que a ese equipo independiente se le habían escapado algunas sutilezas en el análisis de los datos. Harry, además, decía que no había podido reproducir las supuestas correlaciones. El equipo de Jackson replicó a su vez a que habían encontrado errores en el programa informático de Harry y que el argumento que habían presentado seguía en pie. En un mensaje de correo electrónico remitido a Quanta, Harry respondió que había corregido el error en el programa incluso antes de que el equipo de Jackson lo mencionase, y que en cualquier caso no afectaba a su análisis.

Las cuestiones técnicas que intervienen aquí tienen que ver con la suma dificultad de las mediciones que el LIGO intenta hacer. Las ondas gravitatorias son demasiado débiles, así que para captarlas el LIGO se construyó con la capacidad de medir un cambio de distancia de solo una diezmilésima del ancho de un protón. Muchos pequeños impactos y vibraciones pueden imitar la señal de una onda gravitatoria, así que el LIGO consta en realidad de dos observatorios, separados el uno del otro por 3000 kilómetros (uno en Hanford, Washington, el otro en Livingston, Luisiana). Como operan simultáneamente, cada uno contrasta las observaciones del otro. El ruido en un detector y el ruido en el otro no deberían guardar ninguna correlación entre sí: un martillo neumático en funcionamiento cerca de un detector no aparecerá como ruido en el otro. Sin embargo, si una onda gravitatoria los atraviesa, tendrá que crear una señal similar en ambos casi a la vez.

La aseveración principal del equipo de Jackson es que parece que había ruido correlacionado en los detectores en el mismo momento en que se recibió la señal de la onda gravitatoria. Podría significar, en el peor de los casos, que la señal atribuida a la onda gravitatoria quizá no fuese una verdadera señal en absoluto, sino solo un ruido más alto.

Mucho más probable es que las correlaciones en el ruido, si son reales, apunten a otra cosa. Quizá el equipo del LIGO, al sustraer la señal de la onda gravitatoria de los datos en bruto, se dejó un poco de ruido correlacionado. O quizá hay una pequeña cantidad de correlación en el ruido que hizo que los científicos del LIGO malinterpretasen su señal de onda gravitatoria. Según Vicky Kalogera, astrofísica de la Universidad del Noroeste y miembro del equipo del LIGO, el ruido correlacionado, si es significativo, podría causar un sesgo en el resultado que quizá «nos daría una información potencialmente equivocada acerca de los agujeros negros» que con su choque crearon las ondas gravitatorias.

No es fácil captar una onda gravitatoria. Los físicos que construyeron el Observatorio de Ondas Gravitatorias por Interferometría Láser (LIGO) hicieron que sus instrumentos fuesen lo suficientemente sensibles para detectar un cambio de distancia de solo una diezmilésima del ancho de un protón. Pero esta sensibilidad extrema recoge un sinfín de señales espurias, o ruido. Por eso se construyeron dos detectores a 3000 kilómetros de distancia entre sí, uno en Hanford, Washington, y el otro en Livingston, Luisiana. En teoría, ningún runrún meramente local podría mostrarse en ambos detectores a la vez. Entre los ruidos de un detector y del otro no debería haber correlación alguna [Olena Shmahalo/Quanta Magazine. Source: LIGO Lab/Caltech/MIT].

Pero no todo el mundo cree que las correlaciones sean reales. Harry, en su réplica, señala que el equipo de Jackson podría haber utilizado mal una técnica ordinaria de procesamiento de datos, la transformada de Fourier, que descompone una señal de datos en un conjunto de formas de onda más simples. El error, escribe Harry, guarda relación con la premisa técnica de que la señal de entrada de datos tiene que ser «cíclica», es decir, que se repita a sí misma sin interrupciones o discontinuidades. Por ejemplo, una onda sonora cíclica sería la repetición de un fragmento sonoro sin saltos entre cada repetición. Una señal que no sea cíclica no podrá ser analizada por medio de la transformada de Fourier sin introducir errores sutiles. De otra forma, el llamado fenómeno de Gibbs distorsiona las frecuencias de la señal de entrada y disminuye así la exactitud de los análisis subsiguientes.

Cono los datos no son casi nunca cíclicos en la vida real, cualquiera que haga análisis de Fourier deberá ejecutar primero una serie de trabajos de limpieza en los datos en bruto. «Parece que algunos de los resultados [del equipo de Jackson] tienen que ver con no haber prefiltrado los datos antes de tomar la transformada de Fourier», dice David Shoemaker, físico del Instituto de Tecnología de Massachusetts y portavoz de la Colaboración Científica LIGO, en la misma línea que el análisis publicado por Harry.

Jackson, que no aceptó que se le entrevistase para este artículo y escribió en un mensaje de correo electrónico que «la polémica pública tiende a endurecer las posiciones y no avanza hacia el fin deseado», ponía en entredicho esa caracterización . «Somos conscientes de esas cuestiones. No estamos ni de acuerdo ni en desacuerdo con los puntos de vista de Harris», escribió. Los cuatro coautores de Jackson no respondieron a las peticiones de Quanta de que ofreciesen comentarios.

En febrero de 2016, los científicos del LIGO anunciaban que habían detectado una onda gravitatoria. La prueba consistía en una limpia señal ondulatoria tanto en los datos de Livingston como en los de Hanford. La franja gris corresponde a la sincronización de ambas señales (una vez desplazada la de Livingston 6,7 milisegundos).

Sin embargo, cuando un  grupo no asociado al LIGO analizó los mismos datos y sustrajo la señal de la onda gravitatoria, vio que el ruido de ambos detectores parecía estar correlacionado (la franja gris). Esta misteriosa correlación es el motivo de debate entre físicos [ambas gráficas, Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine].

Por ahora, se tiene mucha confianza en los resultados del LIGO. Según Robert Wagoner, físico teórico de la Universidad Stanford y que no pertenece a la colaboración LIGO, «las únicas personas cualificadas para analizar este artículo están en la Colaboración LIGO. Son los únicos que han podido acceder a los datos en bruto». Steinn Sigurđsson, astrofísico de la Universidad del Estado de Pennsylvania y que no pertenece a ninguno de los dos equipos, concuerda con esta opinión. «Por ahora, me quedo de todas todas con la gente del LIGO», decía. «Es muy raro que los de fuera encuentren errores importantes en una colaboración grande». No obstante, «se va a tardar más de lo que gustaría» en zanjar la cuestión, dcie Sigurđsson. «Llevará meses».

El equipo del LIGO informó después de la primera detección que había encontrado ondas gravitatorias de una segunda fusión de agujeros negros, y luego de una tercera. Jackson y sus colaboradores no han publicado aún un análisis de esos dos casos.

¿Qué pasa entonces con la controversia? «No hay drama alguno aquí», decía Kalogera. «Es ciencia como es habitual. ... Una comunicación sana y positiva es muy bien recibida entre los científicos».

Andrew Jackson dio una conferencia sobre este asunto en mayo de 2017. Está recogida en el siguiente vídeo: 

 

Mark. H. Kim/Quanta Magazine

Artículo traducido por Investigación y Ciencia con permiso de QuantaMagazine.org, una publicación independiente promovida por la Fundación Simons para potenciar la comprensión de la ciencia. El artículo se publicó tamnbién en Wire.

Referencia: «On the time lags of the LIGO signals», de James Creswell et al., en arXiv: 1706.04191, 13 de junio de 2017.

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