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Dos agujeros negros chocaron hace mucho tiempo y a una gran distancia de la Tierra para fusionarse en uno sólo. Estos objetos estelares que tienen unos campos gravitatorios extremos dieron lugar a unas ondas gravitacionales que nos hablan de esa fusión y que se han podido medir por primera vez directamente. Dada la extrema precisión necesaria del orden de fracciones del tamaño de un núcleo atómico, ha sido necesario que dos instalaciones terrestres independientes viesen la misma señal para poder estar seguros de que se trataba de una onda gravitacional.
Es un hallazgo espectacular, una conquista científica sin precedentes. Como cuando se descubrió el microscopio o cuando se inventó la radio. Se ha abierto una nueva ventana al cosmos.
Lo que hasta ahora se podía ¨ver¨ del cosmos es la luz que emiten los astros. Los observatorios astronómicos pueden detectar la luz en diferentes frecuencias. Desde hace siglos la humanidad saca conclusiones de la luz visible al ojo humano. Desde hace décadas se puede detectar también luz de tipo rayos X, en radio frecuencia o infrarrojo.La diferencia radica en la frecuencia, pero sigue siendo luz. Lo que el los equipos de científicos han anunciado hace unos días es el hecho de haber detectado por primera vez en la historia de la humanidad de forma directa ondas de gravedad, unas ondas con propiedades muy diferentes y que permitirán ¨ver¨ mucho más allá.
De momento se habla sólo de aplicaciones y posibilidades para la astrofísica. Sin embargo es inevitable que tenga consecuencias prácticas en el futuro como el GPS. Los satélites que nos proporcionan la información de dónde tenemos que girar en la carretera cuando vamos en coche no funcionarían si los satélites no tuviesen en cuenta las dilataciones del tiempo que crea el campo gravitatorio de la Tierra a su alrededor. Es un hallazgo espectacular, una conquista científica sin precedentes. Como cuando se descubrió el microscopio o cuando se inventó la radio. Se ha abierto una nueva ventana al cosmos
Las ondas gravitacionales fueron predichas por Einstein hace exactamente 100 años en 1916, es decir un año más tarde que el establecimiento de la relatividad general. Al igual que Maxwell se dio cuenta que existía una solución a las ecuaciones que describían ondas electromagnéticas que viajaban a la velocidad de la luz, Einstein predijo que tenía que haber ondas gravitacionales que se mueven a esa velocidad. ¿Cómo es que se ha tardado un siglo para su detección?
Para hacernos una idea cojamonos el desarrollo de la radio como ejemplo, para entender mejor que son esas ondas gravitacionales y las dificultades para su detección.
El escocés James Maxwell en 1861 hizo una síntesis teórica de todos los fenómenos, experimentos y relaciones sobre la electricidad y el magnetismo. Estamos hablando de cientos de experimentos de múltiples de científicos que fueron sintetizadas en cuatro ecuaciones que hoy se conocen como ecuaciones de Maxwell.
Una de las consecuencias más fascinantes de esta síntesis matemática del electromagnetismo fué que Maxwell dedujo de sus ecuaciones la existencia de ondas electromagnéticas que viajaban a la velocidad de la luz. Maxwell estaba seguro que no podía ser una coincidencia el que viajasen a o cerca de la velocidad de la luz y postuló que la luz misma tenía que ser un fenómeno electromagnético:
«Esta velocidad es tan próxima a la de la luz, que parece que tenemos razones fuertes para concluir que la luz misma (incluyendo calor radiante y otras radiaciones) es una perturbación electromagnética en la forma de ondas que se propagan a través del campo electromagnético de acuerdo a las leyes electromagnéticas.»
Las ondas electromagnéticas fueron descubiertas por Heinrich Hertz en 1888 y constituyeron la base para la electrotecnia. Las múltiples consecuencias prácticas las conocemos. La óptica y el electromagnetismo se vieron a partir de entonces como dos partes de una misma cosa.
El papel de los agujeros negros en la detecciónSin embargo procesos en los que se crean ondas gravitacionales que se pueden medir tienen que ser extremos como la fusión de dos agujeros negros gigantescos. Si bien ecuaciones que describen un agujero negro fueron elaboradas también hace cien años en 1916 por el alemán Karl Schwarzschild, estos objetos no fueron tomados en serio por los astrofísicos hasta los años sesenta. En ese momento no sólo hubo grandes avances en la observación astrofísica, sino que Stephen Hawking y Roger Penrose demostraron en forma de teoremas que llevan sus nombres que las singularidades son algo genérico de la relatividad y no una extravagancia matemática sin sentido.
De comprender que agujeros negros son algo real a poder calcular como se da de forma cuantitativa la fusión de dos de ellos hay todavía un paso de gigante.
Han hecho falta tres ingredientes esenciales. El primero es que ha hecho falta una modelización muy precisa de esas fusiones. Sin ello no se tendría ni idea de que señal esperar. Los científicos están seguros de lo detectado porque la fusión de agujeros negros tiene una señal muy característica. «Una onda gravitacional se puede ver como una distorsión gravitacional que se propaga y que si nos fuese visible a escala humana veríamos como espacio y tiempo se distorsionan ante nuestros ojos»
Ahora bien las ecuaciones de Einstein son muy complejas y no hay esperanza de obtener una respuesta práctica, cuantitativa a ese problema mediante una fórmula matemática explícita. Ahí viene el segundo ingrediente que han sido las simulaciones numéricas por ordenadores. Es una rama entera de la relatividad que se llama relatividad numérica. En verdad existe sólo desde hace unos 20 años, pero han sido avances decisivos en los últimos 10 lo que ha permitido desarrollar las herramientas necesarias. Finalmente está el ingrediente tecnológico, la creación de interferómetros muy grandes y en distintos puntos de la Tierra.
¿Pero qué es una onda gravitacional?Volvamos a la analogía con el caso electromagnético. Se sabía que el sonido es una onda, una perturbación que se propaga a través de un medio, como por ejemplo el aire.
Cogiendo esto como modelo se partía de que la luz también tenía que tener un medio al que se puso el nombre de éter, que se suponía rellenaba todo el universo. Ese medio tenía que tener ciertas propiedades. Los experimentos más completos para medir las propiedades del éter fueron los de Michelson y Morley. La idea erar mostrar que había una diferencia entre si la Tierra se movía con el éter o contra él. Sin embargo todos los experimentos basados en la hipótesis de su existencia fracasaron.
La resolución y explicación de ese fracaso la dio Albert Einstein cuando postuló que ese éter con unas propiedades mecánicas muy rígidas no existía. Revolucionó la física estableciendo que la luz y sus propiedades serían las mismas para cualquier observador con independencia de su movimiento. Para establecer eso lo que tuvo que cambiar fueron las concepciones que hasta entonces se tenía del espacio y el tiempo. Eso fue en 1905. Tuvo que pasar una década para que fuese capaz de incorporar en su teoría la gravitación universal dando lugar a la relatividad general en 1915.Einstein demuestra que toda la masa de la materia es un par de contrarios que son energía y momento. Para desarrollar estos aspectos dialécticos fue clave encontrar que el espacio-tiempo es una unidad de contrarios. Dicho de forma gráfica lo que uno se mueve en el espacio no se mueve en el tiempo y viceversa, sin embargo lo que uno se mueve en el espacio-tiempo es siempre lo mismo. El espacio-tiempo y la materia a su vez forman otra unidad dialéctica. Ya no se puede entender a los actores de una obra de teatro sin el escenario y su interacción con él.Cuando se fusionan dos agujeros negros hay una disminución de energía que se desprende en forma ondulatoria.
Una onda gravitacional se puede ver como una distorsión gravitacional que se propaga que si nos fuese visible a escala humana veríamos como espacio y tiempo se distorsionan ante nuestros ojos. Es ésto lo que se ha detectado en unas dimensiones minúsculas y que abre un nuevo campo de observación y aplicaciones en el futuro.