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| Josué De Santiago Sanabria | |||||||||||
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En 1944, Borges describió la existencia de la enciclopedia
ficticia sobre la vida en el mundo ficticio de Tlön. Es poco lo que sabemos de este planeta ficticio (doblemente), así que me atreveré a contar un poco de su historia. De su filosofía, nos cuenta Borges cómo los eruditos de este planeta niegan la existencia de unas monedas de cobre luego de ser perdidas por una persona. ¿Sería este tipo de filosofía el resultado de algún accidente histórico? Quizá en el pasado los habitantes de este mundo carecían de alguno de los sentidos que para nosotros es elemental, probablemente el de la vista o, mejor aún, el del oído. Verán, en el pasado las personas de ese mundo no podían escuchar, es decir, por alguna extraña curiosidad biológica, los humanos nacidos en Tlön tenían los mismos sentidos que los humanos nacidos en la Tierra, excepto el oído. A pesar de ello, la civilización se había desarrollado bien, con un lenguaje de señas como medio principal de comunicación; además, la pintura se usaba para transmitir ideas a lugares lejanos, la arquitectura para transmitir ideas a tiempos lejanos, y el cine para transmitir las ideas y sentimientos más profundos de aquellos humanos. Algo así como la música en nuestra civilización, se proyectaba cine mudo en todas las plazas públicas, las parejas tenían su escena favorita como aquí su canción preferida, y el acceso a este arte era considerado un derecho fundamental.
Piensen en la gran revolución que supuso para esa civilización cuando, un buen día, un grupo de científicos desarrolló una máquina para percibir las vibraciones del aire. Escuchar, le llamaron. Los tlönianos sabían de la existencia del aire porque lo podían sentir en el viento frío de la tarde y en el cálido vapor de un caldo de camarón, también estudiaban en la preparatoria que el aire podía vibrar, que temblaba como tiemblan los vagones del metro al sentir el túnel o los perros al cruzar el frío. Sabían de las vibraciones porque las sentían y del aire porque lo estudiaban en la escuela, pero fuera de esos aburridos exámenes preuniversitarios, poca atención se le prestaba a tales fenómenos invisibles en una sociedad basada en la vista. Entonces, después de muchos años, unos científicos crearon un aparato que permitía percibir esas vibraciones, y la humanidad logró escuchar y, por primera vez, se enteraron de los trinos de los pájaros, del ladrido de los perros, de su propio llanto y de su risa. Todo era nuevo. Un universo que no conocían. Algo parecido a esto nos ocurrió hace unos años, el 14 de septiembre de 2015, cuando escuchamos los trinos del Universo por primera vez. La colisión de dos agujeros negros que, en sus últimos momentos, giraban uno en torno al otro 75 veces por segundo, produciendo una vibración que se transmitió en la estructura misma del espaciotiempo hasta llegar, no a Tlön, sino a la Tierra para ser escuchada por un par de oídos. Este primer par de oídos de la humanidad, conocido como el observatorio de ondas gravitacionales ligo, había sido capaz de detectar en sus brazos de cuatro kilómetros de largo una vibración tan sutil como una milésima parte del tamaño de un núcleo atómico, producida por una onda en el espaciotiempo, originada por la colisión de aquellos hoyos negros. Estoy seguro de que algunos de los cientos de textos de divulgación que se han producido entre ese día y hoy pueden explicar mejor lo que son las ondas gravitacionales, pero déjenme platicarles un poco de ellas y de cómo viví personalmente este descubrimiento. ¿Qué son las ondas gravitacionales? Las ondas gravitacionales fueron predichas por Albert Einstein hace 101 años, apenas después de haber formulado en su forma completa la teoría general de la relatividad, en donde postuló que el espacio-tiempo puede curvarse y, más que eso, que dicha curvatura da lugar al fenómeno que percibimos como gravedad. Pronto los científicos probaron dos de las predicciones de la relatividad de Einstein: que los rayos de luz se desvían por la gravedad del Sol, y que el planeta Mercurio tiene una pequeña desviación en su trayectoria. Sin embargo, la idea de que el propio espacio-tiempo pudiera curvarse formando ondas tuvo que esperar otro siglo para ser comprobado, y es que la tarea no era fácil, ni conceptual ni tecnológicamente. La primera pregunta por resolver era si realmente las ondas que resultan de las ecuaciones son reales, ya que la relatividad permite entender los problemas físicos desde distintos puntos de vista, que llamamos sistemas de coordenadas, y al principio los resultados en distintos sistemas parecían contradictorios. Y es que tenemos la teoría de la relatividad con sus ecuaciones, y al resolverlas obtenemos que hay ondas, pero no sabemos si realmente existen pues es bastante común encontrar un sistema de coordenadas en donde las ondas desaparecen, de la misma forma como ocurre en las ilusiones ópticas donde se ven las líneas dobladas, pero si ponemos una regla sobre el papel nos damos cuenta de que en realidad están rectas: así las vibraciones del espacio-tiempo desaparecen, como las ilusiones, como fantasmas producidos por las coordenadas. El problema es que el espacio-tiempo es como el escenario en donde los fenómenos del mundo ocurren. El momento y lugar en donde nacemos es un punto del espacio-tiempo, como también lo es el punto del espacio-tiempo en que damos nuestro primer beso, y el punto del espacio-tiempo en que nos enamoramos por primera vez; nuestra vida es una sucesión de puntos en este escenario. Entonces, ¿qué significa que este escenario vibre al pasar una onda por él?, ¿podríamos percibirlo? Pensemos en el sonido, imaginemos una vibración que pasa por el aire y atraviesa a un pequeño insecto que vuela en él; éste simplemente se moverá junto con el aire, sin percibir la vibración (tal vez sí lo perciben, no lo sabemos, pero sigamos con el ejemplo). El insecto no percibe la vibración y por lo tanto concluye que carece de una realidad física. ¿Nos podría suceder lo mismo? Pasaron cuarenta años hasta que los científicos concluyeran que, de hecho, las ondas gravitacionales sí son reales. Se concluyó incluso que las ondas llevaban energía que podía ser detectada por medio del siguiente experimento: si alguien tuviera una barra de un cierto tamaño y material capaz de resonar con la frecuencia de las ondas, al pasar una onda gravitacional lo suficientemente intensa la barra se pondría a vibrar y de tal vibración se podría extraer energía, que inicialmente la barra extrajo de la onda gravitacional. En efecto, en los años setentas un científico de nombre Joseph Weber construyó unas barras excepcionalmente sensibles a estas ondas y afirmó haberlas detectado. Misner, Thorne y Wheeler publicaron en aquellos años: “al momento en que este libro es escrito, no es claro que los resultados experimentales de Joseph Weber constituyan una genuina detección de ondas gravitacionales. Pero sean o no, la astronomía de ondas gravitacionales ha iniciado y parece tener un brillante futuro. La tecnología de 1973 parece suficiente para la construcción de detectores que registrarán ondas de una estrella que colapsa para formar un agujero negro en cualquier lugar de nuestra galaxia; y los detectores de finales de los setentas e inicios de los ochentas podrían registrar ondas emitidas por pulsares y supernovas de otras galaxias. Las dificultades técnicas por ser resueltas serán enormes. Pero los físicos son ingeniosos [...] y seguramente todos los obstáculos serán superados”. El texto peca un poco de optimista, si consideramos que quienes lo escriben creían que las ondas gravitacionales se detectarían en menos de una década, pero un pequeño retraso provocó que la detección ocurriera cuarenta y un años después. De hecho uno de los autores del texto, Kip Thorne, ganó el premio Nobel en 2017 gracias a dicha detección. Trinos… ¿pero de qué? Y es que, al estar sordos, no teníamos idea de lo que escucharíamos allá afuera. Lo mismo sucedió a los científicos de Tlön, quienes suponían que las aves trinaban y los perros ladraban, pues habían deducido de su comportamiento algún tipo de comunicación no visual. Pero ¿cómo lo hacían?, ¿frotaban sus alas?, ¿chocaban su pico?, ¿pasaban aire a través de sus gargantas? Además, era de suponer que muchas cosas del mundo producían sonidos. ¿Cuál sería el más intenso?, ¿el más frecuente? Hace unos años, cuando yo era estudiante de licenciatura, en la Tierra los humanos estábamos justo en esas cuestiones, y todavía nos preguntábamos qué sonidos habría allá afuera y si algún día podríamos escucharlos. Además de haber concluido que las ondas gravitacionales eran reales, también se había descubierto cómo eran producidas. Básicamente, al acelerarse, cualquier objeto con masa produciría estas ondas, y entre más grande la masa y más grande la aceleración, más intensas las ondas. Por ejemplo, los cuatrocientos furiosos gramos del puño de un ciclista se pueden acelerar a 2.5 metros/segundos2 para mentarle la madre a un automovilista que casi lo arrolla. El automovilista cafre recibe un golpe 10 a 50 Joules de ondas gravitacionales, desafortunadamente, indetectables incluso para nuestros más precisos aparatos. Se requiere mucha masa y mucha aceleración, y entonces una situación ideal para producir ondas gravitacionales ocurre cuando un cuerpo celeste gira alrededor de otro, en especial si están muy cerca uno del otro, pues giran más rápido y por tanto se aceleran más y también producen más ondas. Por ejemplo, ya se había observado un sistema con dos estrellas de neutrones, una girando alrededor de la otra, con un giro cada siete horas, que se conocía como el pulsar de HulseTaylor. Con estrellas tan masivas y un giro tan rápido se producen muchas ondas gravitacionales, aunque no tantas como para detectarlas, pero estas ondas se llevan parte de la energía de giro, así que las estrellas terminan más y más cerca y, paradójicamente, girando más y más rápido, y produciendo más y más ondas. Esto ocurre lentamente, pero dentro de 300 millones de años las estrellas estarán tan cerca que se tocarán una a la otra, en un último abrazo, que producirá un último trino de ondas gravitacionales, y después de este vals de millones de años se unirán en una sola. Aquí en la Tierra no podemos escuchar el sonido de ese vals, las ondas que producen son demasiado débiles, pero podemos deducir que se han ido juntando porque, luego de décadas de observarlas, vemos que giran cada vez más rápido. Fuera de este caso especial, al igual que los científicos de Tlön, lo que en realidad queríamos era escuchar directamente las ondas gravitacionales y no sólo deducir indirectamente su existencia. El problema es que no sabíamos si el Universo era ruidoso o silencioso, si los sonidos eran intensos o débiles, si los trinos eran frecuentes o excepcionales, si los valses eran rápidos o lentos; porque éramos sordos. Bueno, sí sabíamos, algunas cosas: que las binarias de estrellas de neutrones, como el pulsar de Hulse-Taylor, existen y cabe la posibilidad de que hubiera una similar pero más cercana y que sí pudiéramos escucharla. En 2006 tomé un curso sobre las posibles fuentes de ondas gravitacionales en el Universo y estudiamos tantas como alcanzaba la imaginación de los científicos: fuentes binarias o fuentes únicas, fuentes continuas o fuentes explosivas, fuentes periódicas o fuentes azarosas. De las posibilidades que recuerdo de esa época estaban los sistemas binarios, como el pulsar de Hulse-Taylor, pero más cercanos y que podían estar compuestos por dos estrellas o dos hoyos negros o una estrella y un hoyo negro. Además, era posible que estuvieran girando, en su largo vals, o que estuvieran en su último abrazo, justo antes de unirse, o recién unidos, en una nueva estrella o un nuevo agujero negro, que se quedaría resonando por un rato como una campana a la que acaban de golpear. Otras posibles fuentes de ondas eran los choques de frente, las montañas en la superficie de las estrellas de neutrones, la muerte de las estrellas o el nacimiento del Universo. Para ese entonces los científicos ya llevaban veintidós años planeando y once construyendo el observatorio ligo, y más les valía estar preparados para lo que podrían escuchar. El saber qué tipo de sonido esperamos percibir permite a nuestro cerebro detectar mejor los sonidos e incluso completarlos cuando llegan incompletos. Por esta razón es que muchas veces escuchamos nuestro nombre entre una multitud, nuestra canción favorita en un auto que va pasando o la voz de un amigo que nos cuenta su vida en medio de un ruidoso bar; nuestro cerebro va filtrando esos sonidos importantes del resto del ruido. De la misma forma era importante que preparáramos los cerebros, los sistemas computacionales que analizarían las vibraciones detectadas por ligo, para que buscaran las ondas gravitacionales que anduvieran por ahí. Y es que, al ser tan sensible, ligo percibe una gran cantidad de ruido que no son ondas gravitacionales, como las vibraciones térmicas del aparato, fluctuaciones en la red eléctrica, camiones pasando cerca, sismos del otro lado del mundo, ruido que las computadoras deben eliminar. Al contrario, las computadoras deben buscar las posibles señales que sí vienen del Universo y una de las más intensas ocurre cuando dos agujeros negros chocan. Y no es que vayan moviéndose por ahí y, de pronto, se topen de frente. Lo que puede pasar, en cambio, es que hayan girado uno alrededor del otro, igual que el pulsar de Hussle-Taylor, generando ondas en su largo vals de millones de años, acercándose hasta tocarse, devorándose mutuamente para formar un único y fluctuante agujero final que seguirá emitiendo ondas gravitacionales hasta estabilizarse. Resolviendo las ecuaciones de la relatividad general sería posible obtener la forma particular de las ondas producidas por dicho fenómeno y así decirles a las computadoras que lo buscaran en la señal de ligo, algo así como indicarles el tono particular del trino que debían buscar. No obstante, resolver tales ecuaciones fue un rompecabezas que llevó cuarenta años armar. Finalmente, en 2005, cuando se colocó la última pieza, resultó que al chocar los agujeros negros se pegaban en un agujero más grande, generando una cantidad inmensa de ondas gravitacionales. Durante los últimos momentos de ese proceso, el sistema irradia tanta energía que se convierte en el objeto más brillante del Universo y adquiere más potencia que la luz de todas las estrellas de todas las galaxias juntas en el Universo observable. Este evento tan intenso podría ser detectado con los oídos correctos aquí en la Tierra. Así, en 2005, cuando se resolvió la colisión de los agujeros negros, Pablo Laguna, un físico mexicano que trabajaba en Pensilvania en aquellos años, reunió en Guanajuato a un grupo de científicos de ligo con los varios grupos de científicos que habían resuelto el rompecabezas. Presenciarla fue muy impresionante para mí como estudiante. Eran dos grupos distintos de gente realmente perseverante, que llevaba años y años chocando con un muro que no cedía: el muro de la ignorancia humana. Unos de ellos, los teóricos, por fin habían hecho un hueco en la pared, y ahora sabían cómo era la señal de ondas gravitacionales, conocían el tono del trino. Los otros, quienes construían ligo, llevaban más de treinta años, seguían intentándolo, y les faltaban diez más —aunque eso nadie lo sabía. En esa época, para mí la empresa de la detección sonaba como algo imposible, igual que me había parecido imposible que se encontrara la solución de la colisión. Supongo que soy un poco pesimista. Y por eso no puedo minimizar la gran capacidad de ambas comunidades para trabajar durante años hasta lograr sus objetivos. El observatorio En los setentas se propuso una forma de detectar las ondas gravitacionales que consistía en colocar una estructura en forma de L, como dos largos brazos, con espejos en los extremos y en el vértice, haciendo pasar un rayo láser del vértice a los extremos y de regreso para ser detectado. Este dispositivo ya era ampliamente conocido por los físicos, le llamamos interferómetro de Michelson y permite detectar variaciones minúsculas en el largo de dichos brazos, analizando la luz reflejada. Al pasar una onda gravitacional tendrá el efecto alternado de contraer uno de los brazos y alargar el otro, para luego hacer lo contrario. La onda alarga y acorta el tamaño de los brazos en una distancia menor que el tamaño de un núcleo atómico, pero el interferómetro es muy preciso, siempre y cuando los espejos estén bien aislados y se muevan libremente y no se calienten, y los brazos sean bien largos y rectos, y estén al vacío y protegidos de posibles vaqueros que vayan a cazar y les hagan hoyos por accidente. Finalmente, es mejor construir dos interferómetros, entre más lejos mejor, en este caso en Luisiana y Washington, para así corroborar las mediciones pues sólo una onda gravitacional se observaría en las dos posiciones. El observatorio fue construido en los noventas y se siguió mejorando hasta 2009, dos años más tuvieron los científicos los oídos más sensibles de la humanidad esperando un trino del Universo que nunca llegó: la naturaleza no le revela sus secretos fácilmente a los humanos. Todo ese esfuerzo parecía inútil o al menos a mí me lo parecía desde afuera. Durante aquellos años, Gabriela González, una joven científica argentina que fue portavoz oficial de ligo, había venido varias veces a México y ofrecido apoyar a algún estudiante que quisiera participar en el observatorio, ya que el consorcio ofrecía apoyo a estudiantes de países en vías de desarrollo; pero al final nadie lo aprovechó —y es que en esa época una detección se escuchaba tan lejana, tan irreal—, una lástima porque hoy tendríamos un mexicano festejando el haber participado en tan importante detección. A de avanzado En el año 2010, a pesar de no haber detectado nada, el consorcio recibió fondos para hacer una gran remodelación a los detectores e iniciar la fase que se consideraría “ligo avanzado”. Una nueva montura para los espejos con mejor aislante sísmico y menor ruido térmico, así como un aumento considerable en la potencia del láser permitieron aumentar considerablemente la sensibilidad del observatorio. Cuando se reabrió el observatorio con los nuevos detectores, en 2015, ya todo estaba listo. Fueron décadas de esfuerzos. Parecía que por fin se lograba. De hecho, unos días antes de que iniciaran las observaciones de manera oficial ocurrió la primera detección: el 14 de septiembre de 2015 la humanidad escuchó por primera vez un nuevo trinar, una sorpresa pues lo produjo un par de agujeros negros de 36 y 29 veces la masa del Sol, los cuales terminaban su vals en un choque, emitiendo unos 1 047 Joules de energía (comparativam ente, una parte en mil billones de esa energía es lo que se necesita para destruir nuestro planeta en miles de pedazos, algo así como cuando Vegeta destruye al planeta Arlia en Dragon Ball Z). Y es que fue como si lo primero que escucharan los habitantes de Tlön, fuera un enorme animal invisible del que no tenían ningún indicio previo. Dado que los agujeros negros no brillan, no sabemos mucho de ellos, tenemos evidencia indirecta de algunos más pequeños, como de la masa del Sol o un poco más, y de otros grandotes, un millón de veces más; pero no sabíamos que también vinieran en ese tamaño medio y más aún que fueran tan comunes como para que ocurriera el evento fortuito de que dos de ellos terminaran chocando y estuvieran tan cerca para poder escucharlos. Bueno, en realidad no están tan cerca, lo cuál fue una segunda sorpresa pues muchos de nosotros esperábamos que la primera detección proviniera de algún evento cercano, de nuestro propio cúmulo de galaxias, de nuestra vecindad cósmica, pero en lugar de eso nos llegó un trinar verdaderamente lejano, esa colisión ocurrió hace más de mil millones de años, cuando en la Tierra ni siquiera existían animales todavía, y por estar tan lejos le tomó todo ese tiempo a las ondas gravitacionales atravesar el espacio hasta llegar a nosotros. Esos extraños monstruos de los que no se puede escapar, venían en un mayor número de tamaños y eran más abundantes de lo que pensábamos o, bueno, podríamos decir que no pensábamos nada, porque nada sabíamos. Las estrellas de neutrones Posteriormente el detector se apagó por unos meses para continuar su remodelación y aumentar todavía más su sensibilidad y finalmente se abrió también el observatorio europeo virgo. Así como los humanos tenemos dos oídos que nos permiten escuchar mejor que uno y si tuviéramos tres escucharíamos aún mejor que con dos, pero no sólo eso, sino que tendríamos mayor capacidad para determinar la dirección de donde provienen los sonidos. Lo mismo ocurre ahora que tenemos tres detectores funcionando, dos de ligo y uno de virgo, pues podemos determinar con mucha mayor precisión el lugar de donde provienen las ondas gravitacionales. Esto último es muy importante porque permite a los astrónomos de todo el mundo apuntar sus telescopios hacia el posible lugar en donde se originaron las ondas gravitacionales para buscar alguna fuente luminosa. Esto se había intentado en las primeras colisiones detectadas, pero sin ningún resultado, y es que los agujeros negros son, valga la redundancia, principalmente negros y no emiten luz que podamos observar. En cambio, el 17 de agosto, gracias a la colaboración ligo-virgo se pudo detectar la colisión de dos estrellas de neutrones, como las del pulsar de Hulse-Taylor pero con la diferencia de que éstas terminaron su vals espiral hasta unirse. Debido a que se trata de estrellas, los observatorios de todo el mundo lograron esta vez ver la colisión con telescopios de todo tipo, y no sólo escuchamos el trino, sino también pudimos ver el pájaro que lo produjo, como si los científicos de Tlön por primera vez escucharan el canto de un pájaro y al mismo tiempo vieran el movimiento de su pico y su cabeza. El resultado de la colisión es una nueva estrella o un agujero negro, todavía no lo sabemos, hay mucho por explorar. Pero de esa única observación ya podemos concluir muchas cosas: que las ondas gravitacionales viajan a la misma velocidad que la luz, que en ese tipo de colisiones se producen algunos de los elementos pesados del Universo y podemos analizar la forma en que éste se expande y dar luz al problema de por qué dicha expansión es cada vez más y más rápida. Epílogo Finalmente, el comité del Premio Nobel otorgó a los líderes de ligo el Nobel de física de 2017. Por reglas internas del premio sólo se puede entregar a tres personas, pero la verdad es que esto fue el resultado de una de las colaboraciones más grandes y decididas de personas de nuestro tiempo, es lo que se consigue mediante la colaboración de los seres humanos en pro de un interés común. Cuando premios como éstos se entregan, es un premio a toda nuestra especie y a nuestra habilidad para trabajar en equipo y para ser mucho más cuando estamos juntos y somos decididos. Es un premio al conocimiento adquirido por la humanidad: hace cien años se inventó la relatividad general, hace sesenta se construyó el primer láser, hace 130 años se inventó el interferómetro y hace 370 las bombas de vacío. Es un premio a las capacidades de la humanidad. |
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Referencias Bibliográficas
Abbott, B. P., et al. 2017. “GW170817: Observation of Gravitational Waves from a Binary Neutron Star Inspiral”, en Phys. Rev. Lett., vol. 119, núm. 161101, pp. 1-18. Abbott, B. P., et al. 2016. “Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger”, en Phys. Rev. Lett. vol. 116, núm. 061102, pp. 1-16. Borges, J. L. 2011. Ficciones, Penguin Random House, Barcelona. Thorne, K. S., C. W. Misner y J. A. Wheeler. 2000. Gravitation. San Francisco, California. Lecturas sugeridas Comunicado de prensa de la primera detección de ondas gravitacionales https://www.ligo.caltech.edu/detection Comunicado de prensa de la primera detección de una colisión de estrellas de neutrones https://www.ligo.caltech.edu/page/press-release-gw170817 La señal de ligo se puede transformar en sonido que perciben nuestros oídos, aquí un video con el sonido de la primera detección (https://www.youtube.com/watch?v= QyDcTbR-kEA) Flores, J. 2003. La gran ilusión, III. Las ondas gravitacionales. fce, Cd. de México. Hacyan, S. 2019. Ondas gravitacionales. Las olas invisibles del universo. fce, Cd. de México. |
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| Josué De Santiago Sanabria Departamento de Física, CINVESTAV. Investigador por México Conacyt asociado al departamento de física del CINVESTAV. Tiene un doctorado en ciencias físicas por parte de la UNAM, tiene doce publicaciones en revistas científicas de nivel internacional y formo parte del SNI. Su investigación se centra en modelos del Universo y su comparación datos observacionales. |
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