Del RGV al cosmos: cuando el universo habla

Dos agujeros negros orbitan en espiral uno hacia el otro antes de fusionarse, enviando ondas gravitacionales que se propagan a través del espacio-tiempo.
IMAGEN CORTESÍA DE R. HURT/CALTECH-IPAC

El universo puede contarnos sus secretos si sabemos cómo escucharlo.

Piensa en las ondas que se forman sobre la superficie de un estanque después de lanzar una piedra al agua. En el universo, objetos masivos como las estrellas de neutrones y los agujeros negros pueden crear algo similar: ondulaciones en el espacio-tiempo llamadas ondas gravitacionales.

Cuando objetos masivos se aceleran, como dos estrellas de neutrones o agujeros negros que orbitan entre sí hasta finalmente fusionarse, perturban el espacio-tiempo. Estas perturbaciones se propagan hacia el exterior a la velocidad de la luz en forma de ondas gravitacionales.

¿Por qué estudiarlas? La detección de ondas gravitacionales nos permite obtener nueva información sobre algunos de los objetos más exóticos y eventos cósmicos más catastróficos del universo, desde fusiones de agujeros negros y estrellas de neutrones hasta posibles señales provenientes de supernovas por colapso del núcleo y sismos estelares.

Cuando dos estrellas de neutrones colisionan, por ejemplo, la explosión resultante puede producir elementos pesados, como el oro. Investigadores del MIT estimaron que una fusión de dos estrellas de neutrones detectada en 2017 pudo haber producido una cantidad de oro equivalente a varias veces la masa de la Tierra.

Predichas por primera vez por Albert Einstein en 1916 a partir de su teoría de la relatividad general, las ondas gravitacionales ofrecen a los astrónomos una nueva manera de estudiar el universo. Al analizar sus formas de onda, los investigadores pueden conocer propiedades de los agujeros negros y las estrellas de neutrones, incluidas sus masas, rotaciones y dinámicas orbitales.

A diferencia de la radiación electromagnética, como la luz visible e infrarroja observada por telescopios como el Telescopio Espacial Hubble y el Telescopio Espacial James Webb, las ondas gravitacionales interactúan débilmente con la materia. Pueden atravesar el universo prácticamente sin alteraciones, transportando información sobre eventos que podrían ser difíciles o imposibles de observar utilizando únicamente la luz.

Sin embargo, durante décadas, detectarlas estuvo fuera del alcance de los científicos.

La detección de ondas gravitacionales requiere instrumentos extraordinariamente precisos, una calibración cuidadosa y sofisticados análisis de datos. Décadas de desarrollo tecnológico y colaboración internacional finalmente condujeron a la construcción de enormes observatorios, incluidos los dos detectores del Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferometría Láser, o LIGO, en Estados Unidos; Virgo, en Italia; y KAGRA, en Japón.

En 2015, LIGO realizó la primera detección directa de ondas gravitacionales al observar una señal producida por la fusión de dos agujeros negros a más de mil millones de años luz de distancia.

Estos observatorios utilizan una técnica llamada interferometría láser. Un haz de láser se divide en dos haces que recorren largos brazos perpendiculares entre sí. Espejos ubicados en los extremos de los brazos reflejan la luz de regreso hacia el punto donde se originaron los haces.

Cuando una onda gravitacional atraviesa la Tierra, estira el espacio-tiempo en una dirección mientras lo comprime en otra. El cambio es extraordinariamente pequeño, pero altera ligeramente la distancia recorrida por la luz en cada brazo. Cuando los haces regresan y vuelven a combinarse, los investigadores pueden medir el cambio resultante en su patrón de interferencia.

Una señal detectada por varios observatorios puede compararse y analizarse para ayudar a determinar de dónde provino y qué la produjo. Un ejemplo famoso es GW170817, la fusión de dos estrellas de neutrones observada en 2017 mediante ondas gravitacionales y radiación electromagnética.

LIGO consta de dos detectores en forma de L separados por unos 3,000 kilómetros, uno en Hanford, Washington, y otro en Livingston, Luisiana. Cada observatorio cuenta con dos brazos de 4 kilómetros de longitud.

Su extraordinaria sensibilidad también presenta un desafío: los investigadores deben distinguir las ondas gravitacionales de las vibraciones y otros tipos de ruido ambiental. En un artículo científico publicado en 2008, el profesor de UTRGV Teviet Creighton examinó cómo los aviones que pasan cerca de un detector pueden generar señales capaces de interferir con las observaciones, demostrando la importancia de identificar y filtrar el ruido ambiental.

Al otro lado del Atlántico, Virgo opera cerca de Pisa, Italia. Al igual que LIGO, el detector Virgo utiliza brazos perpendiculares, cada uno de 3 kilómetros de longitud, y mide cambios en el patrón de interferencia de los haces de láser que los recorren.

El detector KAGRA de Japón también cuenta con dos brazos de 3 kilómetros, pero su diseño presenta dos diferencias importantes. El observatorio está construido a unos 200 metros bajo tierra para ayudar a reducir el ruido sísmico y el generado por actividades humanas. Además, sus espejos se enfrían a temperaturas criogénicas para reducir el ruido térmico.

Construir y operar estos observatorios no es una tarea sencilla. La detección de ondas gravitacionales requiere no solo instrumentos enormes, sino también algoritmos capaces de identificar, procesar y analizar señales increíblemente débiles ocultas entre grandes cantidades de ruido. Este trabajo depende de la colaboración entre investigadores de todo el mundo.

El sur de Texas ha formado parte de ese esfuerzo durante décadas.

El South Texas Space Science Institute (STSSI) de UTRGV remonta su participación en la investigación de ondas gravitacionales a la década de 1990. Profesores y estudiantes de UT Brownsville, ahora el campus de Brownsville de UTRGV, han contribuido a las investigaciones de LIGO y al esfuerzo internacional por comprender el universo a través de las ondas gravitacionales.

Investigadores de UTRGV también estuvieron entre los científicos que participaron en el estudio de GW170817, la primera detección de ondas gravitacionales provenientes de la fusión de dos estrellas de neutrones.

Desde enormes detectores separados por miles de kilómetros hasta investigadores que trabajan aquí mismo en el Valle del Río Grande, escuchar al universo es un esfuerzo internacional. Y cada nueva señal ofrece a los científicos otra oportunidad para descubrir secretos que, hasta hace poco, el universo había mantenido ocultos.