El año 2015 viene marcado por ser el del centenario de la teoría de la relatividad general. A lo largo de todo el año se celebrarán reuniones científicas que repasarán los hitos históricos alcanzados al establecer una teoría universal de la gravitación, y analizarán las líneas futuras de investigación alrededor de uno de los pilares de la física en la actualidad.

La relatividad general ha pasado, hasta la fecha, todos los tests experimentales a los que ha sido sometida, pero que involucran campos gravitatorios débiles, proporcionando, entre otras cosas, correcciones a la teoría de la gravitación formulada por Newton. Existen sin embargo varios argumentos para creer que necesite modificaciones en situaciones de energías muy elevadas. No quiero adentrarme en esta cuestión, aunque es una temática de investigación de plena actualidad.

La teoría de la relatividad general predice la existencia de ondas gravitatorias, pero éstas no han sido jamás detectadas de forma directa. Ésta también es un área de investigación muy activa, y en la que la comunidad física deposita grandes esperanzas, pues su descubrimiento y detección supondrán abrir una nueva vía para explorar el cosmos que nos rodea.

En relatividad general la acción de la gravedad es una consecuencia de la curvatura del espacio-tiempo. El espacio-tiempo es un agente dinámico, cuya geometría viene determinada por las distribuciones de masa y energía. Las oscilaciones de esa geometría, debidas a cambios de esas distribuciones de masa y energía, son las llamadas ondas gravitatorias

Hay muchos experimentos que se están llevando a cabo en la actualidad para detectar ondas gravitatorias. Su descubrimiento no solo representaría una confirmación más de la relatividad general. Con detectores de estas ondas se nos abriría una ventana nueva al universo, diferente a las que nos brindan las ondas electromagnéticas, en las que está basada la astronomía más convencional. Con ellos podremos investigar la física de algunos de los objetos más masivos, como son los agujeros negros o las estrellas de neutrones (en otro post hablaré de esta posibilidad), de una forma similar a la que el estudio de las ondas sísmicas de la Tierra nos da información sobre el contenido de su interior. También nos podrá permitir adentrarnos en detalles sobre los instantes iniciales del universo.

Hay que remarcar aquí que una manifestación indirecta de la existencia de radiación gravitatoria ya la realizaron los astrofísicos Hulse y Taylor, por lo que recibieron el Premio Nobel de Física en el año 1993. Estos astrofísicos estudiaron un púlsar binario, esto es, un par de estrellas que orbitaban una alrededor de la otra, y en la que uno de los miembros es un púlsar, o sea, una pequeña estrella muy masiva que actúa como un faro cósmico, emitiendo radiación electromagnética que nos llega de forma periódica a nuestro planeta. La frecuencia con lo que la nos llega la radiación de los púlsares es tan regular, que sus variaciones nos permiten estudiar fenomenología muy diversa. En concreto, Hulse y Taylor demostraron con precisión que la energía perdida por el púlsar binario coincidía con la pérdida de energía por emisión de ondas gravitatorias predicha por la relatividad general, siendo ésta la primera prueba indirecta de la existencia de éstas. 

 

Cédito imagen: European Southern Observatory/L. Calçada 

Hay varios métodos para intentar detectar a estas elusivas ondas gravitatorias. La mayoría de los detectores de ondas gravitatorias se basan en el hecho que éstas cambian la geometría local de las regiones que atraviesan, y así cambian la distancia física entre objetos, aunque de forma imperceptible en nuestra escala humana. Los desplazamientos asociados a este efecto son muy pequeños, y la tecnología asociada a estos detectores es muy compleja, basados en interferometría laser, para poder detectar desplazamientos en escalas átomicas. Los diferentes detectores se especializan en un cierto rango de frequencias de las ondas. Entre los detectores terrestres, especializados en frecuencias altas y con los que se pretende estudiar fenómenología de estrellas neutrones, supernovas, o estrellas binarias compactas han operado (y están a punto de entrar en funcionaminento una segunda generación) LIGO en Estados Unidos, Virgo en Italia; tambiém GEO600 en Alemania, y pronto empezará a funcionar KAGRA, en Japón. Para poder estudiar ondas gravitatorias de baja frequencia existe un ambicioso proyecto de la Agencia Europea Espacial (ESA), de construcción de un observatorio espacial de ondas gravitatorias, eLISA, que en principio podría permitir el estudio de agujeros negros supermasivos. En el Instituto de Ciencias del Espacio existe un grupo de investigación que ha participado activamente en la construcción del satélite llamado LISA PathFinder, que es una misión precursora que trata de estudiar la viabilidad tecnológica de eLISA. La esperanza es que todos estos detectores en el periodo de una década puedan anunciar el descubrimiento de las ondas gravitatorias, y a empezar a desgranar toda la información que de éstas se desprende.

Otra propuesta de poder detectar ondas gravitatorias primordiales de muy baja frecuencia, originadas en los inicios después del Big Bang, es midiendo los efectos que causan en la polarización del fondo cósmico de microondas, el CMB por sus siglas en inglés. De esta posibilidad se ha hablado en los últimos meses, después del anuncio de la colaboración BICEP2 de su detección. Voy a resumirla muy brevemente a continuación.

La CMB es una radiación electromagnética emitida unos 380.000 años después del Big Bang, de la que se han estudiado muchas de sus propiedades. BICEP2 estudió, como jamás lo había hecho ningún otro equipo científico, la polarización del CMB. La radiacion electromagnética que se propaga en una dirección presenta un movimiento oscilatorio en el plano ortogonal a esa dirección. La polarización de la luz nos da cuenta de la dirección de ese oscilación, que puede ser un eje determinado (polarización lineal), o desplazarse en el plano ortogonal a la propagación de la radiación siguiendo una pauta determinada. La idea que perseguía BICEP2 es encontrar los llamados modos B de polarización (éstos describen la rotación de esa dirección de polarización, como si tuviera vorticidad), que podían ser causados por ondas gravitatorias primordiales. 

El año pasado la colaboración norteamericana BICEP2 anunció que había descubierto esas ondas gravitatorias primordiales, al haber detectado los llamados modos B de polarización del CMB. En un post anterior critiqué la manera de comunicar esos resultados, aunque el trabajo y resultados de BICEP2 son del todo admirables. Desafortunadamente, y justo en el inicio del año del centenario de la relatividad general, hemos sabido que los resultados obtenidos por dicha colaboración tienen otra explicación, que tiene que ver con el hecho que el polvo interestelar y un efecto gravitatorio puede ser también causante del efecto medido por BICEP2. Esa es la conclusion a la que han llegado, en una insólita colaboración de dos equipos rivales, el norteamericano BICEP2 y su sucesor Keck Array, y la misión europea Planck de la ESA.

Sin embargo, quiero destacar aquí que el diverso trabajo de todos estos equipos científicos, aún sin poder clamar el descubrimiento de ondas gravitatorias, nos aporta una información científica muy valiosa, aunque quizá no merezca grandes titulares en los medios de comunicación. Los resultados de BICEP2/Keck Array/Planck restringen los posibles modelos cosmológicos inflacionarios que puedan describir la evolución cosmológica en sus primeras fases. Igualmente, el hecho que  LIGO no haya podido aún detectar ondas gravitatorias provenientes de estrellas de neutrones, restringe los modelos físicos que explican su composición, y descarta algunos por poco realistas.

Aún siendo así, la comunidad científica espera con ansía el descubrimiento de las ondas gravitatorias, y que su sistemática detección sea una inagotable nueva fuente de información sobre el cosmos que nos rodea.

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Cristina Manuel Hidalgo
Cristina Manuel Hidalgo

Investigadora científica del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC). Instituto de Ciencias del Espacio (ICE-IEEC).

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