De cómo hacer fuego… a llegar a otros planetas habitables

Pau Amaro-Seoane es un astrofísico valenciano que estudió Física Teórica en España, para luego doctorarse en Heidelberg en Astrofísica Teórica. Después, se dedicó durante once años, en el Instituto Max Planck de Física Gravitacional, junto con el director, al campo de la Astronomía de las Ondas Gravitacionales. Desde enero de 2016, es científico en el Institut d’Estudis Espacials de Catalunya. El grupo de Ondas Gravitacionales en el que trabaja lidera el esfuerzo de España en la futura misión espacial LISA, un detector de ondas gravitaciones en el espacio. Finalmente, es el coordinador de los aspectos astrofísicos de la misión espacial china Taiji relacionada con la astronomía de ondas gravitacionales. Más información en http://astro-gr.org/

En los medios de comunicación, se ha dado una importancia especial a la reciente quinta detección de ondas gravitacionales. Una de las razones es que las ondas esta vez se han originado por un par de estrellas de neutrones a diferencia de las veces anteriores, que provenían de la colisión de dos agujeros negros. Como el concepto de onda gravitacional es complicado para un público no especializado, ¿nos lo puedes explicar en versión «para andar por casa «? y ¿en qué se diferencian las ondas gravitacionales provenientes de agujeros negros de las de estrellas de neutrones?

Siempre pongo un ejemplo para explicar lo que es una onda gravitacional. De la misma forma que tirando una piedra a un estanque o piscina se produce una perturbación de la superficie del agua que se transmite como una onda, dos masas acelerándose producen perturbaciones en el espacio-tiempo como fue descrito por Einstein, es decir, como una única entidad, que quizá habría que llamar en castellano espacio-tiempo, no por separado, como se describe en la física clásica anterior a los descubrimientos de Einstein. Esas perturbaciones se propagan como una onda y, por eso, de forma muy original, las llamamos ondas gravitacionales.

Esto quiere decir que, si empiezas a correr con un amigo, o a bailar con alguien, también estás produciendo ondas gravitacionales, pero son tan débiles, que es imposible detectarlas. Por la naturaleza de estas ondas, hace falta tener objetos muy masivos moviéndose a una velocidad enorme, a un porcentaje del de la luz, y acelerando.

Las ondas son muy interesantes, no sólo porque se predijeran y luego las hayamos observado, sino porque contienen información a la que, de otra forma, es imposible acceder. Es similar a la manera en que lees tus correos electrónicos en tu móvil porque este recibe las ondas de radio del enrutador de tu casa. Sin que uno se dé cuenta, nuestra casa está llena de esas ondas que transmiten el texto de un correo electrónico, las fotos que has enviado por un programa de mensajería, las contraseñas de tus cuentas de internet, la voz de una amiga que te ha enviado un mensaje, etc.«Si viviésemos en la superficie de una estrella de neutrones -cosa que no es posible, porque automáticamente quedaríamos reducidos a un charco de moléculas por la gravedad- y llenásemos una cucharilla de café raspando el suelo, esa cucharilla pesaría como un edificio entero»

Las ondas gravitacionales contienen información sobre el sistema que las ha producido, sobre su entorno, y con un nivel de detalle difícil de superar en el caso de los detectores espaciales. Nos hablan y explican cómo es el espacio-tiempo, es decir, la gravedad en regímenes muy especiales. No tenemos ninguna otra forma de curiosear ahí. Ninguna.

¿Cómo se forman esas ondas? Con objetos muy especiales. Desde hace cosa de un siglo, sabemos que debe de haber agujeros negros, que deberían existir, cosa que le extrañó al mismo Einstein. Estos agujeros negros deberíamos encontrarlos con prácticamente todo tipo de masas o, al menos, en un rango muy amplio. Pueden tener una masa ridícula y evaporarse casi en el mismo momento que se forman, o llegar a tener sesenta veces la masa de nuestro sol, o mil millones de veces su masa. Una propiedad interesante, sin embargo, es que son muy compactos, lo que quiere decir que tienen muchísima masa en un volumen muy pequeño. No obstante, son objetos extremadamente simples. Los podemos definir completamente con dos números. Intenta definirte a ti mismo con dos números. No puedes. Sólo la descripción total de un cabello tuyo requiere mucho más que dos números. Sin embargo, aun siendo tan simples, son enormemente complejos. Incluso la teoría de la relatividad general no es suficiente para comprenderlos. Esta teoría falla al llegar a la singularidad que se encuentra en lo más profundo del agujero negro.

Las estrellas de neutrones son, en cierto modo, parecidas. Son también muy compactas. Una estrella de neutrones normal tiene una masa como la de un sol y medio, pero, sin embargo, en vez de ser tan grande como un sol y medio, es decir, unas ciento cincuenta veces más grande que la tierra, es sólo como la ciudad de Berlín, unos veinticinco kilómetros. Si viviésemos en la superficie de una estrella de neutrones -cosa que no es posible, porque automáticamente quedaríamos reducidos a un charco de moléculas por la gravedad- y llenásemos una cucharilla de café raspando el suelo, esa cucharilla pesaría como un edificio entero. La detección de ondas gravitacionales ha representado una proeza titánica, algo que me atrevería casi a comparar con el descubrimiento de cómo hacer fuego. Todavía no nos damos cuenta del paso de gigante que hemos dado.

Dos estrellas de neutrones formando una binaria, es decir, bailando la una alrededor de la otra, perturban el espacio-tiempo de la misma manera que harían dos agujeros negros con las mismas masas. La única diferencia es que las estrellas de neutrones tienen superficie. Un agujero negro, no.

Esto es muy importante, porque las ondas gravitacionales se crean a cambio de algo, la pérdida de energía de los dos objetos (dos agujeros negros o dos estrellas de neutrones). Como pierden energía, se van acercando el uno al otro, en una suerte de baile fatal, que acaba con la fusión de los dos objetos en uno solo y, en ese instante, la emisión de energía es la más grande de todo el universo.

Por eso es especial la fusión de las dos estrellas de neutrones que hemos observado recientemente. Porque tienen superficie. Si se tira algo con fuerza al suelo, por ejemplo un plato, se rompe. Cuando una estrella de neutrones “cae” sobre otra estrella de neutrones a una velocidad que es próxima a la de la luz, se produce una erupción de luz tan fuerte que hace que la galaxia en la que sucede el evento se desvanezca, quede oculta por su luz, aunque sea sólo por un instante de tiempo. Esa luz se puede observar con telescopios y, si se observan las dos cosas al mismo tiempo, las ondas gravitacionales y el destello de luz, podemos combinar dos tipos de información radicalmente distintos de un mismo sistema. Es como si pudiésemos ver y oír el sistema al mismo tiempo. No es lo mismo poder oír en un bosque por la noche en la oscuridad, y oír en el mismo bosque por la mañana a mediodía.

Eso no ocurre, en principio, con dos agujeros negros, porque no tienen superficie. Cuando uno “cae” sobre el otro en el vacío, no hay emisión de luz. Hasta que las superficies de las estrellas de neutrones no se tocan, el sistema es prácticamente indistinguible de una binaria de dos agujeros negros que tuviese la misma masa. Prácticamente.

Otra de las novedades como acabas de comentar es la observación de luz del evento de colisión de las estrellas. De hecho en una entrevista que hicimos a Jennifer Seiler en este medio, justamente nos advirtió que en el futuro, que ahora es presente, los científicos que trabajaban en la detección de ondas gravitacionales avisarían a los astrofísicos para que pudiesen apuntar sus telescopios a las regiones desde las cuales se han detectado ondas gravitacionales. Esto, ¿está cambiando la forma de trabajar de las diferentes comunidades científicas? Se está obteniendo una visión mucho más amplia, ¿no?

Como te comentaba antes, al combinar dos tipos de información completamente diferentes sobre un mismo suceso, la fusión por emisión de ondas gravitacionales de dos estrellas de neutrones al final de su danza mortal, tenemos una descripción única, inequiparable. Hay una razón por la que siempre hemos trabajado con telescopios que usan la luz como medio de transmisión de la información, y es una razón evolutiva: tenemos ojos. «La detección de ondas gravitacionales ha representado una proeza titánica, algo que me atrevería casi a comparar con el descubrimiento de cómo hacer fuego. Todavía no nos damos cuenta del paso de gigante que hemos dado.»

Esta proeza ha necesitado de un ejército de gente muy preparada que, durante décadas, ha arriesgado todo en su vida tan precaria de investigador. Es una apuesta muy fuerte trabajar en algo que sólo existe de forma teórica, como lo fueron las ondas gravitacionales hasta ahora, desde hace un siglo.

El detector LIGO que ha hecho las observaciones existe como concepto desde hace décadas. Sólo la gente más apasionada por este campo, las ondas gravitacionales, entre la que me incluyo, decidió arriesgar su futuro por trabajar en algo que no tenía una promesa de resultados tangibles. La investigación es algo muy competitivo. Hay escasísimas plazas para muchísimos candidatos que tienen una preparación excelente, prácticamente todos ellos. Ponerse a trabajar en algo que no tiene la promesa de resultados es algo tan arriesgado como romántico, pero que, al fin y al cabo, representa el alma de la ciencia.

Había mucho en juego, porque se han gastado miles de millones de euros en los detectores y sus mejoras, y estábamos buscando algo que nunca se había visto antes. Por eso, la primera detección fue tan emocionante para muchos de nosotros. En mi caso, uno de los mejores momentos de mi vida.

El batallón de gente que logró esos resultados, unas mil personas, ahora está colaborando con la gente que hace astrofísica “tradicional”, es decir, con luz. Se han producido muchísimos resultados científicos que recompensan la larga espera.

¿Se espera que esta ampliación de la visión permitirá entender o detectar lo qué es la materia oscura? ¿Y en cuanto a la energía oscura?

Se ha escrito mucho sobre este tema, sobre el aporte de la astronomía de ondas gravitacionales a nuestra comprensión de lo que es la materia y energía oscura. Es probable que se pueda hacer algo, en particular que podamos poner restricciones a modelos que existen ya, pero yo soy bastante modesto, me conformo con descubrir el fuego, como te comentaba antes.

La pregunta sobre la que estoy basando mi vida de investigador es qué es la gravedad. No entendemos la gravedad, pero, si pudiéramos dominar la gravedad, saldríamos finalmente de la“caverna” en la que vivimos. Gracias a las ondas gravitacionales, nos podemos acercar muchísimo a ciertos sistemas especiales que existen en el universo y que son laboratorios únicos de gravedad. Yo creo de forma totalmente honesta que este es el próximo paso que tenemos que dar como especie.

Fíjate en la cantidad de planetas que estamos descubriendo fuera de nuestro sistema solar. Varios de ellos puede que sean habitables para nosotros. Y no los vemos todos. Una galaxia como la nuestra tiene unas cien mil millones de estrellas. Si sólo un pequeña fracción de ellas tiene unos tres planetas de media, digamos, tenemos billones de planetas en nuestra galaxia. Aunque sólo una fracción ridícula de ellos sea habitable, una minúscula fracción de un número enorme sigue siendo un número muy alto. Otra forma de verlo es con la típica analogía de que, por cada grano de arena de todas las playas del mundo, hay unas diez estrellas y, una fracción de ese número “astronómico” tiene tres planetas. Para llegar a ellos, sin embargo, no podemos viajar de forma usual, porque ni a la velocidad de la luz llegaríamos en un tiempo humanamente posible. La respuesta a cómo llegar ahí antes, muy probablemente, se encuentre en la gravedad. Pero algo está claro: tenemos que salir de aquí porque, si no, acabaremos como los habitantes de la Isla de Pascua. Es algo que he dicho siempre.