Este mes de febrero se cumplen diez años de la publicación de la primera detección de ondas gravitacionales que marcó el inicio de una nueva época para la astronomía. En tan solo una década ya se han detectado más de 300 eventos gravitacionales que nos han revelado detalles inéditos sobre los agujeros negros y otros astros compactos. Repasamos los mayores hitos en esta historia y su significado.
El descubrimiento
Hace ahora diez años que la portada de la prestigiosa revista Physical Review Letters anunciaba el descubrimiento: el 14 de septiembre de 2015, los observatorios LIGO, en EE.UU., habían detectado una señal, conocida como GW150914, que había sido ocasionada por dos agujeros negros al colisionar hace 1.300 millones de años.
Por fin, tras varias décadas de esfuerzos de los físicos que habían llevado a cabo búsquedas muy laboriosas, se confirmaba una de las predicciones más audaces de la teoría centenaria de la relatividad general de Einstein: grandes masas, al moverse de manera acelerada, crean unas minúsculas distorsiones en el espacio-tiempo que se propagan en forma de ondas, son las llamadas ondas gravitacionales.
Diez años después, el legado de las observaciones de ondas gravitacionales es ya transformador, pues estamos observando el universo con una poderosa herramienta que permite presenciar fenómenos que no podían percibirse antes.
Aquella primera señal detectada, GW150914, procedía de la fusión de dos agujeros negros de unas 29 y 36 masas solares que, al fusionarse daban lugar a uno de 62, y esa diferencia de masa, equivalente a la de tres soles, era la que, transformada en energía gravitacional, había viajado por el universo durante 1.300 millones de años hasta alcanzar los detectores de LIGO. Este descubrimiento, que demostraba tanto la existencia de este tipo de ondas como la de los agujeros negros binarios, fue premiado con el Nobel de Física en 2017.
En estos últimos diez años, la red de detectores de ondas gravitacionales se ha ampliado notablemente, mejorando así su capacidad de detección. A los dos observatorios de LIGO (uno en el estado de Washington y otro en Luisiana) se sumaron Geo600 (Alemania), Virgo (Italia) y KAGRA (Japón). Trabajando juntos, han sido capaces de detectar más de 300 eventos y de triangular la posición de las señales en la bóveda celeste.
Los hitos mayores
Merece la pena recordar algunos de los hitos científicos logrados durante estos diez años de observaciones:
GW170817.- Este evento, detectado el 17 de agosto de 2017, reveló la fusión de dos estrellas de neutrones situadas a unos 130 millones años luz. La colisión creó una kilonova que pudo ser observada, durante más de un año, mediante la luz emitida en todo el espectro electromagnético: desde las ondas de radio hasta los rayos gamma. Se pudieron así estudiar los fenómenos físicos asociados a la materia extremadamente densa y explicar el origen de elementos pesados como el oro, la plata y el platino, que no se crean por reacciones nucleares en el interior de las estrellas.
GW190521.- El 21 de mayo de 2019 se registró la fusión más masiva de las detectadas hasta la fecha: un agujero negro de 140 masas solares, dentro del rango de masas en el que las predicciones teóricas no contemplaban la existencia de agujeros negros.
GW200105.- El 5 de enero de 2020 se descubrió una fusión mixta, entre un agujero negro y una estrella de neutrones.
GW230529.- En mayo de 2023 se observó una fusión peculiar entre una estrella de neutrones y un objeto compacto de naturaleza desconocida, de masa intermedia mayor que las de las estrellas de neutrones, pero menor que la de los agujeros negros.
GW231123.- Esta fusión, detectada en noviembre de 2023, entre dos agujeros negros de 100 y 140 masas solares, superó a GW190521 dando lugar a otro de 225 masas solares estableciendo así un nuevo récord de mayor masa y confirmando la existencia de objetos en ese rango de masas.
GW250114.- En enero del año pasado se logró una detección de altísima calidad (alta relación señal/ruido) que sirvió para validar el llamado "teorema del área", enunciado por Stephen Hawking, que establece que el área del agujero negro resultante es mayor que la combinación de las de los progenitores.
Tomados en su conjunto, los descubrimientos de estos diez años han cambiado nuestra percepción del universo: los agujeros negros binarios son frecuentes y pueden fusionarse para crear otros objetos más masivos. Cada detección brinda una oportunidad para poner a prueba las teorías de Einstein y de Hawking mediante unos experimentos que no pueden llevarse a cabo en laboratorios terrestres, pues se necesitan masas enormes para que estas propiedades físicas, tan sutiles, se pongan de manifiesto.
Virtuosismo tecnológico
Además de los logros científicos, hay que destacar el virtuosismo tecnológico que permite la observación de ondas gravitacionales. Los detectores actuales son interferómetros capaces de medir variaciones en la distancia entre sus espejos inferiores a una diezmilésima del tamaño de un protón, es decir: detectan alteraciones menores que una billonésima del grosor de un cabello humano.
Y esta tecnología no se detiene, los detectores existentes siguen mejorando mediante la incorporación de sistemas ópticos aún más sensibles y con menor ruido cuántico. Los observatorios mejorados (LIGO A+, Virgo+, el nuevo KAGRA y LIGO-India en construcción) se integrarán en una red global ya denominada IGWN (International Gravitational-Wave Network). También en tierra, Europa apuesta por el diseño y construcción del Telescopio Einstein, constituido por un interferómetro subterráneo con brazos de 10 kilómetros. Simultáneamente, la ESA avanza en la construcción de la misión espacial LISA que tiene su lanzamiento previsto hacia 2035.
Todos estos proyectos permitirán ir más allá de la detección de colisiones de objetos compactos para localizar otras fuentes de ondas gravitacionales, como las que deben surgir en las supernovas o de manera continua en las estrellas de neutrones individuales, o incluso las que debieron originarse en los momentos iniciales de la evolución del universo.
Mencionemos finalmente que varios grupos de investigación españoles están contribuyendo de manera notable en toda esta revolución científica. Entre ellos, el grupo GRAVITY de la Universitat de les Illes Balears, con la Dra. Alicia Sintes a la cabeza, ha jugado un papel pionero mediante su colaboración en LIGO desde el año 2002, desarrollando modelos teóricos que permiten analizar los datos y darles una interpretación astrofísica.
El artículo original con la primera detección de ondas gravitacionales titulado "Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger" que fue publicado en febrero de 2016 por la colaboración LIGO puede ser consultado en este enlace [https://bit.ly/46uHsAf].
Rafael Bachiller es director del Observatorio Astronómico Nacional (Instituto Geográfico Nacional) y académico de la Real Academia de Doctores de España.