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El universo dirá si Einstein tenía razón antes de 2016

La detección de ondas gravitacionales, la gran prueba para la teoría de la relatividad, es “inminente”, según un nuevo estudio

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Reconstrucción de dos estrellas de neutrones a punto de chocar y las ondas gravitacionales que producen. / L. Rezolla, M. Koppitz

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Un siglo después de la publicación de la teoría de la relatividad, el universo va a decir al fin si Albert Einstein tenía razón. Según explica un grupo de astrónomos estadounidenses, la gran confirmación que necesita la teoría del genio alemán llegará antes de 2016 con un 95% de probabilidades. Si la confirmación no ha llegado para entonces, habrá que buscar nuevas explicaciones para algunos fenómenos fundamentales del cosmos.

No confirmar a Einstein tendría “consecuencias muy profundas, pues cuestionaría la mayoría de cosas que sabemos sobre la evolución de las galaxias”, explica Frans Pretorius, astrónomo de la Universidad de Princeton y coautor del trabajo.

El estudio se centra en las ondas gravitacionales, un fenómeno predicho por Einstein pero que nunca se ha observado de forma directa. Sólo los mayores cataclismos producirían estas ondas. Una de las fuentes más potentes sería el choque de dos agujeros negros supermasivos, los más grandes del universo. Estos cuerpos son tan densos que su gravedad lo absorbe todo, hasta la luz, y su tamaño es miles de millones de veces más grandes que el sol. Las estrellas de neutrones, tan densas que un trocito del tamaño de un azucarillo pesa igual que todos los seres humanos de la Tierra, también producirían estas emisiones al chocar [ver video].

En 1916, Einstein predijo en su teoría de la relatividad general que esos cataclismos producen ondas expansivas que curvarían a su paso el andamiaje del universo, hecho de espacio y tiempo. Sería una versión cósmica y salvaje de lo que sucede al tirar una piedra a un estanque. Estos fenómenos, muy poco conocidos, son claves para entender cómo nacen las galaxias como la nuestra y qué papel juega en su desarrollo el agujero negro supermasivo que todas llevan dentro. Pero las colisiones de agujeros negros y estrellas suceden tan lejos que cuando sus ondas llegan a la Tierra ya son imperceptibles, lo que llevó al propio Einstein a pensar que nunca se detectarían o incluso a renegar de su existencia.

“Son unos datos con mucho morbo”, dice un experto

Casi un siglo después, Pretorius, junto a Sean Mc Williams, un joven astrónomo de Princeton, corrigen a Einstein para darle la razón. Su estudio dice que esas ondas existen y que su detección es “inminente”. De hecho, sus cálculos indican que las ansiadas ondas podrían haberse detectado ya sin saberlo.

Cazadores láser

Desde hace unas pocas décadas, la mayoría de astrónomos cree que las ondas gravitacionales existen y se han lanzado a construir enormes y caros detectores para ser los primeros en cazarlas. El gran favorito es el estadounidense LIGO, una enorme trampa para cazar ondas gravitacionales cuyos detectores abarcan más de 3.000 kilómetros. El instrumento, que responde a las siglas inglesas de Observatorio de Interferometría Láser de Ondas Gravitacionales, usa rayos láser como si fueran los hilos de una tela de araña capaz de cazar mosquitos con un tamaño mil veces menor que el diámetro de un protón. Sus creadores esperan que cuando la estructura esté terminada, en 2019, los rayos láser de este mastodonte serán los primeros en sentir el delicado empuje de las ondas gravitacionales predichas por Einstein.

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Uno de los dos detectores de LIGO. /

Mc Williams y Pretorius no están de acuerdo. Ambos han hecho un nuevo cálculo de cuántas fusiones de agujeros negros supermasivos suceden en el cosmos. Para ello han calculado la evolución reciente del universo y  han concluido que en los últimos 6.000 millones de años las galaxias han multiplicado por cinco su tamaño. Otro dato bien conocido es que desde aquella época se han formado pocas estrellas, por lo que su equipo cree que el aumento en tamaño se debe a que las galaxias se están fusionando.

Los datos apuntan a que el cosmos es una orgía de fusiones y agujeros negros que se devoran unos a otros lanzando potentes ondas gravitatorias. En concreto, la fusión de galaxias sería entre 10 y 30 veces más común de lo que se pensaba y las ondas gravitacionales hasta cinco veces más intensas. En otras palabras, la detección de la primera onda gravitatoria es “inminente” y sucederá “antes 2016 con un 95% de confianza”, según su estudio.

Lo más rompedor del estudio es que tal vez los tres detectores hayan cazado ya una onda, aunque aún no lo saben. “He estado en contacto con investigadores de los tres detectores”, apunta Mc Williams. “Hasta ahora sólo han estado buscando una señal muy simplificada así que volver a analizar los datos con un modelo más preciso podría acelerar la detección”, advierte.

“Son unos datos con mucho morbo”, reconoce Carlos Sopuerta, un investigador del Instituto de Ciencias del Espacio (IEEC-CSIC) que trabaja en otro gran detector de ondas gravitacionales llamado LISA Pathfinder y que se lanzará al espacio en 2014 o 2015. “Tanto si se detectan como si no, sería una revolución”, explica el astrofísico.

El trabajo de Mc Williams también es polémico porque dice que LIGO, que ha costado más de 250 millones de euros, no será el primero en ver una onda gravitatoria. El ganador sería otro tipo de detector de ondas mucho más barato que se basa en los púlsares, unas estrellas de neutrones cuyo destello se parece al de un faro y cuyos ciclos pueden ser usados como uno de los relojes más precisos que existen. Los detectores de esta clase miden la cadencia de varios púlsares durante años con la eperanza de que una onda gravitacional perturbe sus rayos. Esta perturbación doblaría los rayos de la luz del púlsar y permitiría descubrir la primera onda gravitacional. Tres grandes experimetos de este tipo estarían en ahora en liza: EPTA en Europa, NANOgrav en EEUU y Parkes en Australia.

“Creo que por el momento Parkes ha publicado los datos más restrictivos pero eso no significa necesariamente que tenga ventaja”, explica Mc Williams. Además los tres equipos comparten datos dentro de un consorcio internacional.

Alternativas a la relatividad

“El resultado de McWilliams tiene a la comunidad de astrónomos de ondas gravitacionales muy entusiasmada porque  parece que NANOGrav y sus colaboradores internacionales podrían detectar ondas de gravedad y estudiar sus origenes antes de lo anticipado”, reconoce Xavier Siemens, un nativo de Villalba (Madrid) afincado en EEUU que forma parte del equipo científico de NANOgrav y de LIGO. Siemens menciona que, según otro estudio muy reciente, en este caso publicado por Alberto Sesana, investigador del Instituto Max Planck de Física Gravitacional (Alemania), los márgenes de tiempo que baraja Mc Williams son demasiado optimistas. El físico del instituto alemán ha hecho sus propios cálculos sobre el número de choques entre agujeros negros supermasivos. Según sus datos, las primeras ondas gravitacionale se detectarían en 2022, lo que colocaría al LIGO dentro de la carrera e incluso en ventaja, explica Siemens.

Según el investigador español, llegar primero no es lo más importante. Siemens señala que tanto LIGO como el resto de detectores terrestres así como LISA van a permitir una nueva era de experimentos astrofísicos que probarán tanto la teoría de la relatividad como sus alternativas. “Podría ser que la teoría de la relatividad de Einstein no sirva para explicar la gravedad, pero sí la aceleración del universo”, apunta. En este caso las ondas gravitatorias serían responsables del crecimiento acelerado del universo, que normalmente se aribuye a la energía oscura, otro compuesto del cosmos nunca observado de forma directa. “Descubrir algo así sería lo más revolucionario que podríamos hacer con estos experimentos, pero las probabilidades de que suceda son pequeñas”, concluye Siemens.



¿Qué pasa si chocamos con otra galaxia?

Las dimensiones y magnitudes del universo son a veces engañosas. Uno de los mejores ejemplos es estudiar qué pasaría si nuestra galaxia, la Vía Láctea, se fundiese con otra galaxia. Los agujeros negros supermasivos en su interior chocarían, generando una de las mayores ondas gravitacionales que pudieran observarse.

¿Qué le pasaría a la Tierra y a la humanidad? Frans Pretorius, de Princeton, ha hecho los cálculos. El agujero negro de la Vía Láctea está a unos 32.000 años luz de la Tierra y tiene una masa de unos cuatro millones de soles. En las últimas orbitas que los dos agujeros negros darían juntos, cada vez más atraídos, “el sistema convertiría entorno a un 4% de su masa en reposo en energía que se deprendería en forma de ondas gravitacionales”, explica. “Esto equivale a que 150.000 soles se convirtiesen en pura energía gravitacional”, resalta.

Estas ondas harían que el espacio y el tiempo se ondulasen a su paso como un fluido y su intensidad se iría reduciendo con la distancia recorrida, igual que las ondas de una piedra en un lago. Para cuando toda esa energía tocase la Tierra, su fuerza causaría un estiramiento de apenas 0,1 milímetros en el diámetro total de la Tierra (12.700 kilómetros en el Ecuador). Los humanos ni nos enteraríamos, pero la gente como Pretorius estarían felices, pues sus instrumentos habrían detectado la primera onda gravitacional.




REFERENCIA

The imminent detection of gravitational waves from massive black-hole binaries with pulsar timing arrays


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