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Perspectivas de lo que podremos observar gracias a LIGO y otros sistemas de detección de ondas gravitatorias.

Ilustración de dos agujeros negros en rumbo de colisión. Fuente: Colaboración LIGO.

Como ya todos sabemos, el pasado 11 de febrero se anunció el descubrimiento de las ondas gravitacionales (OG) por parte de la colaboración LIGO el 14 de septiembre del año pasado.

La señal GW150914 había sido producida en su día por la colisión de dos agujeros negros de 30 o más masas solares. La pregunta que nos podemos hacer ahora es qué es lo que pasará a continuación.

La primera pista nos viene dada por este mismo descubrimiento. Se ha podido determinar la dinámica previa a la colisión de estos dos agujeros negros, sus masas y el spin final del agujero negro único resultante.

Ya se empieza a pensar que estos dos agujeros negros provengan del colapso de estrellas primordiales que se formaron al principio del Universo, posiblemente en el mismo sistema binario, pues giraban los dos en el mismo sentido. Serían los fósiles de las primeras estrellas.

Además, empiezan las sorpresas, el spin del agujero negro resultante (0,67) es menor de lo esperado para la gran masa del agujero final, pues debía estar cerca del máximo (1.0).

La idea de LIGO no era detectar las ondas gravitatorias y ya está, sino estudiar los fenómenos de alta energía que se dan el Cosmos. Así que cuando se decía que se abría una nueva ventana de observación al Universo con este descubrimiento no se hablaba metafóricamente. A partir de ahora podremos observar fenómenos gracias a las ondas gravitatorias que emitan. Es decir, los interferómetros de LIGO constituyen el primer gravitelescopio. Se inaugura la Astrofísica Gravitatoria observacional. Esto no es más que el principio.

Que sepamos no se tratará de observar solamente a los agujeros negros o su nacimiento, sino también colisiones de estrellas de neutrones, explosiones de supernovas y otros fenómenos extremos. Pronto sabremos cómo de frecuentes son este tipo de fenómenos, incluso cuando los implicados son agujeros negros que, por definición, son pequeños e invisibles.

Según Avi Loeb (Harvard University) gracias a esta nueva técnica podremos incluso saber más sobre la naturaleza de la energía oscura, que provoca que la expansión del Universo se acelere, o saber más sobre el origen y evolución del Universo.

Las colisiones de agujero negros podrían ser candelas estándar mejores que las supernovas de tipo Ia. De la forma de la señal, de su amplitud y frecuencia se podrá saber el tamaño de los agujeros negros que colisionen y cómo de potente fue su colisión, dónde se produjo y a qué distancia. Si comparamos los datos con los datos procedentes de telescopios ópticos se podrá saber cómo ha sido la expansión cosmológica durante todo este tiempo e inferir cómo funciona la energía oscura. Con varios de estos fenómenos se puede tener una estadística muy fuerte sobre este asunto.

Se pueden poner a prueba cosas como el principio de equivalencia que se asume en Relatividad General (RG), según XueFeng Wu (Observatorio de las Montañas Púrpuras en Nanjing, China). O se puede comprobar si la gravedad se comporta con la distancia como predice la RG, como sugiere Erminia Calabrese (University of Oxford).

Con la suficiente precisión se podría saber más de las estrellas de neutrones, cómo son por dentro, si tienen terremotos o cómo de altas son sus posibles montañas.

Se podría saber incluso si existen las cuerdas cósmicas por el rastro de ondas gravitatorias que podrían producir.

Otro aspecto importante es que con otros sistemas de detección diferentes a LIGO se podrían registrar la ondas gravitatorias primordiales que se generaron en el Big Bang, principalmente durante el periodo de inflación, si es que se dio. Estas ondas no estarían ocultas tras la censura que el estado de plasma impuso al Universo durante 380.000 años, algo que nos impide ver con fotones más atrás de ese límite. Lo que no está tan claro es con qué tipo de instrumental se podrán detectar estas ondas primordiales, pues LIGO no puede detectarlas. Indirectamente podrían ser descubiertas por BICEP 3.

Es aquí en donde tenemos que darnos cuentas de que las OG tienen distintas frecuencias y, por tanto, diferentes longitudes de ondas, por lo que hay que construir gravitelescopios específicos para cada gama de frecuencias, al igual que tenemos telescopios de rayos gamma, rayos X, ultravioletas, visible, infrarrojo y ondas de radio para observar con ondas electromagnéticas.

Pero, y aquí viene lo bueno, ahora que sabemos que existen las ondas gravitacionales será más fácil convencer a los políticos para que se invierta en nuevos sistemas de detección.

Se va seguir mejorando LIGO para que tenga mayor sensibilidad de la actual, lo que aumentará el volumen observado. Recordemos que la proeza de poder detectar variaciones de una diezmilésima del diámetro de un protón se basa en poder cancelar toda fuente de ruido y vibraciones. LIGO puede, por desgracia, detectar las olas rompiendo sobre una costa lejana, cualquier sismo de la corteza terrestre o el movimiento de una lavadora en una ciudad relativamente cercana.

A veces la mejor precisión se alcanza en ciertos momentos, como cuando en julio el oleaje en el Golfo de México era más reducido y los vientos fueron menos intensos en el estado de Washington.

Los sistemas de cancelación de ruido son prodigiosos en este caso. Ayuda en todo esto el ultra alto vacío alcanzado en el tubo, algo a lo que se la ha llamado la nada más cara de la historia.

Advanced LIGO trabajará en conjunto con la estación que se construye en India (con un nuevo presupuesto aprobado hace unos días) y con los europeos GEO600 y Advanced VIRGO. Esto permitirá mejorar la precisión a la hora de localizar las fuentes de OG en el cielo. Algo que permitirá apuntar rápidamente otros telescopios a la misma zona del cielo para observar el mismo evento en rayos X, gamma, neutrinos o incluso luz visible.

LIGO será lo suficientemente sensible como para poder detectar la colisión de estrellas de neutrones en unas 300.000 galaxias, lo que proporcionaría la detección de uno de estos eventos al mes. Este tipo de fenómeno podría explicar los estallidos de rayos gamma y la síntesis de elementos muy pesados. El ver la simultaneidad de las OG y el estallido de rayos gamma en la misma zona del cielo confirmaría todo esto.

Pero ya se planea la construcción de nuevos interferómetros en lugares más lejanos de ciudades y fuentes de vibraciones. Así por ejemplo, en la mina Kamioka de Japón ya se ha empezado a construir el KAGRA, con brazos de 3 km excavados en sendos túneles. Se espera que empiece a funcionar en 2018.

Un consorcio europeo planea construir el interferómetro Einstein, que contará con tres brazos de 10 km formando un triángulo equilátero. Esto permitirá una mejor triangulación y la detección de OG de longitudes de ondas mayores. Se espera que con él se puedan estudiar enanas blancas, estrellas de neutrones de rotación lenta o agujeros negros con masas del orden de 100 masas solares. Además, se podría levantar un mapa razonable del fondo de OG de origen no cosmológico. ¡Un mapa del cielo en ondas gravitatorias!

No se espera que se puedan construir interferómetros con brazos mayores a los 50 Km, pues la curvatura de la Tierra, los terremotos y otros problemas con la óptica y técnicos lo impedirían. Por esta razón se lleva un tiempo pensando en construir uno de estos sistemas en el espacio al que se denomina LISA. Ya hay una misión en marcha (LISA Pathfinder) para probar algunas de las tecnologías necesarias. La misión final consistiría en tres satélites volando en formación a una gran distancia entre sí.

La ESA es la única que, por el momento, persigue esta meta con el proyecto eLISA, una misión más pequeña que tendría brazos virtuales de sólo 1 millón de km (en un principio se quería más que eso). Con ello se podrían detectar la colisión de agujeros negros supermasivos en la juventud del Universo. Aunque que se pueda medir con una precisión de un picometro a lo largo de un millón de km con un instrumental que ha viajado durante el lanzamiento en la cofia de un vibrante cohete no está nada claro. Además, la aceleración residual al comenzar a operar tendrá que ser menor al peso de una bacteria sobre una mano humana.

Una de las maneras en las que se ha pensado detectar indirectamente las ondas gravitatorias de mayores longitudes de ondas es la de usar púlsares de milisegundo. Usando varios de estos objetos y midiendo muy bien las ondas de radio que emiten, podrían formar un gravitelescopio de tamaño casi galáctico. La colisión de galaxias puede hacer que los agujeros negros supermavisos de sus centros colisionen, lo que produciría OG de gran longitud de onda. Lo malo es que no parece que haya muchos de estos púlsares de milisegundos. Tampoco está claro si con algo así se podrían detectar las ondas gravitatorias primordiales.

Se cree que un proyecto de tipo LISA a una escala gigantesca, y al que podríamos llamar “Big Bang Observer”, sería capaz de registrar las OG primordiales generadas en el Big Bang. Con ello se podría levantar un mapa del propio Big Bang en ondas gravitacionales. Si nos fijamos en cuanto ha revolucionado la Cosmología los mapas del fondo cósmico de microondas, sólo podemos soñar a lo grande con un instrumento así. Sin embargo, es un proyecto tan carísimo que nadie lo ha propuesto aún en serio. No se espera poder construir algo así antes de un siglo.

Lo mejor será, sin duda, lo que se registre de forma inesperada. Muchos de los avances de la ciencia no se basan en un momento eureka, sino en el momento: “ahí va, espera un momento, esto es un tanto extraño”.

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