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"La señal de LIGO es la que todos deseábamos observar. Einstein tenía razón"

En 1967, Ranier Weiss del MIT elaboró una idea para detectar ondas gravitacionales. El pasado otoño, 40 años después, el aparato funcionó tan bien que la señal parecía demasiado bonita para ser real

  • Lunes, 16 de mayo de 2016
  • Por Jennifer Chu
  • Traducido por Teresa Woods


Foto: Los líderes del Laboratorio LIGO del Instituto Tecnológico de Massachusetts posan delante del Interferómetro LIGO para Avanzadas Pruebas de Sistema (LASTI, por sus siglas en inglés), que es utilizado para probar montajes que serán instalados en los emplazamientos de LIGO en Luisiana y el estado de Washington. Crédito: Bryce Vickmark (Oficina de Prensa, MIT). 

El 14 de septiembre de 2015, Ranier Weiss empezó el primer día de sus vacaciones en Maine (EEUU) haciendo lo mismo que todas las mañanas después de desayunar, esté donde esté: repasó los registros de experimento del Obervatorio de Detección de Ondas Gravitacionales (LIGO, por sus siglas en inglés). A este profesor emérito de física le extrañó el anuncio de la cancelación de unos trabajos de mantenimiento planificados para el día siguiente. Momentos después, un aluvión de correos electrónicos le dirigieron a una página web con imágenes que le dejaron atónito: LIGO, el instrumento que había ideado cuatro décadas antes, había grabado una señal en una de sus primeras pruebas de funcionamiento después de la implementación de una importante mejora. Lanzó un grito que atrajo a su mujer e hijo a la carrera. "Entonces, nació la incredulidad", recuerda. "La señal era demasiado grande y perfecta. Me llevó varios días empezar a creer realmente que representara un acontecimiento real".

Tras meses de análisis y reverificación de los datos, un equipo internacional liderado por científicos del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT, EEUU) y del Instituto de Tecnología de California (Caltech, EEUU) anunciaron en febrero que la señal procedía de dos masivos agujeros negros que colisionaron hace 1.300 millones de años. Esa colisión liberó una ráfaga de energía que se calcula que podría ser hasta 100 veces el tamaño de todas las estrellas del universo, y generó la gran onda en el espacio-tiempo registrada por LIGO. Representó la primera detección directa de las ondas gravitacionales que predijo Einstein hace un siglo.

Crédito: NASA.

¿Dónde empieza la historia de LIGO?

Arrancó en el MIT en 1967. El director del programa de física  me pidió que impartiera una asignatura sobre la relatividad general. Para cuando llegó el año 1967, la relatividad general había sido relegada a las facultades de matemáticas. Era una teoría de gravedad, pero era sobre todo de matemática, y para la mayoría de la gente no guardaba ninguna relación con la física. Y eso se debía sobre todo a la dificultad de realizar experimentos para demostrarla. Todos estos efectos que había predicho la teoría de Einstein eran infinitesimalmente pequeños.

Einstein había evaluado los números y las dimensiones subyacentes de sus ecuasiones para ondas gravitacionales y dijo: "Esto es tan diminuto que nunca ejercerá ninguna influencia sobre nada, y nadie podrá medirlo". Y cuando consideramos la época y la tecnología disponible en 1967, probablemente tenía razón.

Lo más importante que ha sucedido durante los últimos 100 años es que la gente ha descubierto aspectos de la astronomía muy distintos a los que se conocían en 1916. Por ejemplo las fuentes [de ondas gravitacionales] muy compactas, enormementemente densas, como una estrella de neutrones, y agujeros negros. Y había tecnologías para realizar mediciones precisas, porque había láseres, máseres, electrónica, ordenadores y un montón de cosas de las que no disponía la gente en 1916.

Así que  para cuando llegamos a esta época, la tecnología y el conocimiento del universo parecían empezar a permitir buscar ondas gravitacionales.

Durante la década de 1960, Joseph Weber de la Universidad de Maryland (EEUU) tuvo la idea de que tal vez la tecnología hubiese alcanzado el punto en el que se pudiera buscar ondas gravitacionales, e inventó un método para ello. Imaginó una especie de xilófono hecho de barras de resonancia masivas. Esperaba que una onda gravitacional que la cruzase desplazaría la barra y la señal dejaría un pulso que haría sonar al dispositivo para escuchar el resultado.

Fue la primera sugerencia para buscar activamente ondas gravitacionales.

Cuando impartí esa asignatura de relatividad general, a los alumnos les interesaba mucho conocer [el experimento de Weber]. Y seré sincero, por mi vida que no entendía lo que hacía. Allí estaba el problema. Porque iba totalmente en contra de cada intuición que ya había desarrollado sobre la relatividad general. No podía explicárselo a mis alumnos.

Ese era mi dilema en ese momento, y entonces llegó el invento. Me dije: "¿Qué es lo más sencillo que se me ocurre para demostrar a los alumnos que se puede detectar la influencia de una onda gravitacional?"

Para mi, lo obvio era: utilicemos unas masas móviles que floten libremente por el espacio y midamos el tiempo que tarda la luz en recorrer la distancia entre ellas. La presencia de una onda gravitacional modificaría ese tiempo. Utilizando esa diferencia, uno podría medir la amplitud de la onda. Las ecuaciones para este proceso resultan sencillas de formular, y la mayoría de los alumnos de la clase podrían hacerlas. Olvidémonos por un momento que esto era un experimento de pensamiento que requería unos relojes imposiblemente precisos. El principio teórico estaba bien.


Foto:
Una simulación de la colisión de dos agujeros negros que generó las ondas gravitacionales detectadas por LIGO el 14 de septiembre de 2015. Crédito: NASA.

No pensé mucho más en ello hasta un año después, cuando empecé a darme cuenta de algo sobre los experimentos de Weber: nadie lograba los resultados que conseguía él. Había hecho una enorme y potente afirmación. Y empecé a darme cuenta de que tal vez estuviera equivocado, y que incluso tal vez su idea de cómo funciona fuera incorrecta.

Así que me senté en una pequeña sala del Edificio 20, el Palacio de Contrachapado en la Calle Vassar del campus del MIT, y trabajé durante todo el verano en la idea sobre la que había hablado con mis alumnos. Y sabiendo lo que se podía hacer con láseres, lo descubrí: ¿realmente se podría detectar ondas gravitacionales de esta manera? Y llegué a la conclusión de que sí, se podría detectar ondas gravitacionales, a una fuerza que era mucho mayor de la que buscaba Weber.

¿Qué hizo falta para convertir esta idea en una realidad física?

Estabamos construyendo un prototipo de 1,5 metros en el Laboratorio de Investigaciones de Electrónica (RLE, por sus siglas en inglés) con financiación militar, y habíamos hecho bastantes progresos. De golpe se evaporó la financiación, debido a la Enmienda Mansfield, que fue una reacción a la guerra de Vietnam. En las mentes de los administradores del RLE, las investigaciones sobre gravitación y cosmología no casaban con los intereses militares, y el apoyo financiero fue destinado a la física de estado sólido, que fue considerado de mayor importancia. Por primera vez, tuve que redactar propuestas y solicitudes dirigidas a otras agencias gubernamentales y privadas para proseguir con nuestras investigaciones.

Nadie trabajaba en serio aún en la interferometría de ondas gravitacionales, aunque como aprendí más tarde, otros también habían pensado en ello. Un grupo alemán del Instituto Max Planck en Garching (Alemania) acababa de construir una barra Weber. Había colaborado con científicos italianos, y habían descubierto que Weber se equivocaba. Probablemente habían realizado el mejor experimento de todos para demostrar esto. Eso fue a mediados de la década de 1970.

Se les pidió que revisaran la propuesta que había presentado a la Fundación Nacional para las Ciencias de Estados Unidos (NSF, por sus siglas en inglés), justo cuando este grupo debatía cuál sería su próximo trabajo de investigación. Habían estado considerando, al igual que otros muchos grupos en todo el mundo en esa época, diseñar unas mejoradas barras Weber al enfriarlas hasta alrededor del cero absoluto. En lugar de eso, decidieron probar la idea el interferómetro. Me llamaron para preguntarme si conocía algún alumno entrenado con el prototipo de 1,5 metros para ofrecerleun trabajo. (En el momento justo que llamaron, no había ninguno; un poco más tarde, David Shoemaker, que trabajó en el prototipo del MIT, se unió al grupo de Garching). Entonces construyeron un prototipo de tres metros, lo pusieron en funcionamiento y realizaron un gran trabajo.

Después, construyeron otro de 30 metros. Algo más tarde, un grupo de Glasgow (Reino Unido), liderado por Ronald Drever, que también había construido una barra Weber, empezó a desarrollar detectores interferométricos.

Para cuando recibí la financiación de la NSF y arranqué de nuevo, el grupo alemán había llegado a resolver la mayoría de los retos técnicos de la idea y había demostrado que todos mis calculos eran acertadísimos, y que el dispositivo funcionaría tal y cómo se había calculado. También añadieron algunas ideas propias que mejoraron el diseño.


Foto: En el detector LIGO en Livingston, Luisiana, llevó 40 días extraer la cantidad equivalente de aire a dos millones de pelotas de fútbol americano de dos cámaras de vacío de cuatro kilómetros de largo, resultando en una billonésima de la presión atmosférica al nivel del mar. Crédito: LIGO Laboratory.

Un paso clave se dio en 1975. Puesto que también realizaba entonces estudios de radiación cósmica de fondo financiados por la NASA, me pidió la organización que liderara un comité sobre las aplicaciones de las investigaciones espaciales en el campo de la cosmología y la relatividad. Lo que salió de ese comité, a nivel personal, es que conocí en persona al físico de Caltech Kip Thorn, al que había pedido que fuera un testigo del comité.

Recogí a Kip del aeropuerto una cálida noche de verano cuando la ciudad de Washington D.C. (EEUU) estaba llena de turistas. No tenía reserva de hotel, así que compartimos habitación esa noche. Acabamos pasando toda la noche hablando de lo que los experimentos podrían representar unos para el Instituto de Tecnología de California (Caltech). Kip había desarrollado uno de los mejores grupos de teoría sobre la gravitación y estaba considerando establecer un grupo experimental de gravitación. Apuntamos en una gran hoja de papel todos los diferentes experimentos en torno a los cuales se podría formar un grupo nuevo. Le hablé de esta cosa en la que trabajábamos, y se interesó muchísimo. El resultado fue que Kip y yo finalmente decidimos que Caltech y el MIT emprenderían este [proyecto que se convirtió en LIGO] juntos.

¿Cuáles fueron los momentos claves que impulsaron el proyecto? 

Hacia finales de la década de 1970, el grupo del MIT, que ahora incluía a Peter Saulson y Paul Linsay, realizó un estudio con la industria para determinar la viabilidad de construir un gran interferómetro de ondas gravitacionales a escala de kilómetros. El estudio consideraba cómo desarrollar grandes sistemas de vacío y cómo determinar los costes de escalar los prototipos, los posibles emplazamientos donde uno podría construir unas estructuras en forma de L de entre cinco y diez kilómetros de largo con un mínimo de movimiento de tierras y la disponibilidad de ópticas y fuentes de luz. La información se incluyó en un informe, llamado el Libro Azul, que fue presentado a la NSF en 1983. Los científicos de Caltech y MIT presentaron juntos las ideas desarrolladas en el Libro Azul, al igual que los resultados de las investigaciones de prototipado.

La propuesta que presentamos fue para hacer un sistema de detector lo suficientemente sensible para realmente detectar ondas gravitacionales de una fuente astrofísica (no sólo un nuevo prototipo). La propuesta incluía la construcción de dos detectores. No se podía hacer ciencia con uno; había que disponer de dos detectores independientes, igualmente sensibles, y de suficiente longitud.


Foto:
El grupo LIGO de MIT en 2016. Crédito: Laboratorio LIGO.

Eso dio paso a una gran batalla más tarde. Queríamos mantener esas ideas, y la gente después quería reducirlas: ¿Por qué no construir simplemente uno muy largo? ¿Por qué tenía que ser tan largo? Todos estos argumentos se presentaron, pero nos mantuvimos firmes. Teníamos que hacerlo, de lo contrario, nunca habríamos perseverado y no estaríamos donde estamos hoy. Recibimos la aprobación del comité: unas arriesgadas investigaciones con la posibilidad de un gran resultado merecían consideración como nuevo proyecto nuevo de la Fundación Nacional para las Ciencias.

A mediados de la década de 1980, la NSF seguía intentando averiguar cómo arrancar este proyecto. Entonces, en 1986, ocurrió algo interesante que finalmente acabó con el bloqueo. Richard Garwin, que había trabajado con [el premio Nobel de la física de 1938] Enrico Fermi y con el Departamento de Energía de Estados Unidos y realizó todos los cálculos y labores de desarrollo para la primera bomba de hidrógeno, se había convertido en el director científico de IBM. Había leído sobre los experimentos de Weber y decidió, junto con otro compañero de IBM, construir una barra pequeña de resonancia, mucho más inteligente que la que había desarrollado Weber. Pero no detectó nada.

La NSF intentaba promocionar este enorme programa nuevo para ondas gravitacionales. Garwin se enteró, y creía haber dado muerte ya a ese dragón. Escribió una carta a la NSF en la que decía: "Si vais a seguir adelante con esto, más os vale disponer de un estudio de verdad".

Así que realizamos un estudio en la Academia de Artes y Ciencias en la Calle Beacon en Cambridge, Massachusetts (EEUU). Fue una reunión de una semana de duración con un excelente comité de duros científicos que revisaron nuestras investigaciones de prototipado, los estudios de viabilidad para un gran sistema, los planes para ubicar el sistema y los cálculos del coste. La recomendación que dio el comité fue increíblemente positiva: desde luego merecía la pena hacer el proyecto, no debía dividirse en fases de un sólo detector, debíamos hacerlos de la longitud total, y nada de hacer más prototipos. También recomendaron un cambio en la gestión del proyecto para que tuviera un único director en lugar de un comité de dirección, que había sido nuestro enfoque hasta entonces.

Para el año 1989, redactamos otra propuesta bajo la dirección de Rochus Vogt [un antiguo rector de Caltech], que nos llevó casi seis meses desarrollar. Fue una obra maestra. La propuesta incluía la construcción de dos emplazamientos con interferómetros de cuatro kilómetros de largo. Los interferómetros seguirían un enfoque de implementación gradual. El primer detector se basaría en las investigaciones, ahora razonablemente maduras, de los prototipos con una sensibilidad que ofrecía una oportunidad plausible de detección. El segundo detector se basaría en unos conceptos más nuevos y avanzados que aún no habían sido totalmente probados pero que ofrecían una buena oportunidad de detección. La propuesta pasó por el Consejo Nacional de Ciencias y fue aprobada, y el dinero empezó a llegar en cantidades importantes.

Para la década de 1990, el resto de la historia se volvió más fácil. Ahora bajo la dirección de [el profesor de física de Caltech] Barry Barish, los emplazamientos estaban en proceso construcción, los sistemas de vacío estaban hechos y empezábamos a operar los primeros detectores. Para 2010, los habíamos operado y habíamos realizado vastas mejoras en su sensibilidad, pero no habíamos visto nada. Era un cero total; los detectores habían operado tal y como se habían diseñado, y no habíamos observado anomalías que pudiesen interpretarse como ondas gravitacionales. De acuerdo al hecho de que [habíamos logrado nuestra meta en términos de] sensibilidad y habíamos hecho la ciencia necesaria para determinar algunos interesantes límites superiores de posibles fuentes, recibimos financiación para construir Advanced LIGO.


Foto:
El científico de LIGO y profesor del MIT Nergis Mavalvala abraza a Rebecca Weiss en el evento del MIT que anunciaba el descubrimiento de ondas gravitacionales. El presidente del MIT, L. Rafael Reif, acababa de provocar los aplausos de los asistentes reunidos en la Sala Busch al decir, refiriéndose a Weiss, "....sin duda esto ha representado el trabajo de su vida, también". Crédito: M. Scott Brauer.

Bajo su punto de vista, ¿cuán transcendental resulta realmente este descubrimiento?

En cuanto a haber satisfecho las ambiciones de muchos de nosotros que hemos trabajado en esto, es muy transcendental. Es la señal que todos deseábamos observar, porque sabíamos de ella, nunca dispusimos de pruebas de su existencia, y es el límite de las ecuaciones de Einstein nunca antes observado. La dinámica de la geometría del espacio-tiempo al límite de un fuerte campo [gravitacional] y alta velocidad.

Para mí, cierra algo que ha sufrido una historia muy complicada. Las ecuaciones de campo y toda la historia de la relatividad general han sido complicadas. Ahora, de repente disponemos de algo que podemos tocar y decir: "Einstein estaba en lo cierto. ¡Qué intuición y perspicacia más maravillosas tuvo!"

Siento un enorme sensación de alivio y algo de júbilo, pero sobre todo alivio. Pasé 40 años escuchando una voz en mi cabeza que me decía: "Ehhhh, ¿cómo sabes que esto realmente va a funcionar? Has involucrado a mucha gente. ¿Y si nunca funciona?" Y, de repente, se ha esfumado. Es un alivio enorme.

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