Me reclino en la incómoda silla de oficina y echo mucho de menos que no sean horas para un gin tónic. Lo pienso mientras José Antonio Font habla de estrellas de neutrones, violentas y masivas, que bailan en pareja en un remotísimo pretérito allá a lo lejos, en una parcela del universo que solo puedes imaginar si eres astrofísico o poeta. Ese baile de dos objetos tan compactos y masivos, me dice Font, produce ondas gravitacionales que un detector increíble, aquí en la Tierra, relleno de vacío, es capaz de sentir…
José Antonio Font, miembro de la Selección Española de Ciencia 2018 me explicó, en aquella mañana de oficina, el significado de las ondas gravitacionales, las que se han oído ya, y las que se espera.
“… verás, Lorena, la existencia de ese tipo de radiación era solo una posibilidad. Cuando Einstein las describió eran algo puramente teórico, una propuesta que sale de sus ecuaciones. Einstein se dio cuenta de que, ¡ostras! hay un tipo de fenómeno ondulatorio… una fuerza que hasta ahora no conocemos… Las describió en su Teoría de la Relatividad General, hizo cálculos y se dio cuenta de que iban a ser muy difíciles de detectar. Nunca se había mostrado su existencia, hasta ahora.
P: ¿Todo objeto masivo produce ondas gravitacionales? ¿Las produzco yo cuando bailo?¿Una taza de café?
R: Claro, cualquier objeto en movimiento acelerado, la taza de café, tus manos al moverse producen estas ondas gravitacionales… pero muy muy pequeñas. Lo esencial es tener una masa acelerada. Las ondas gravitacionales se producen cuando hay un cambio relativo de la velocidad. Por ejemplo, una taza de café si la mueves muy rápido, la aceleras, y según la teoría de Einstein produce ondas gravitacionales. Pero no las sentimos, porque el efecto que produce una taza de café al desplazarse es tan sumamente pequeño que es despreciable.
P: Y la Luna al moverse, ¿no es suficientemente?
R: No, no lo es. El sistema Tierra-Sol, en términos de ondas gravitacionales, es insignificante. Hay que ir a masas muy grandes y velocidades muy altas para esperar de ellas ondas que podamos detectar
P: Y entonces… ¿Cuáles son esos gigantes?
R: Piensa en una estrella con una masa inicial grande, 10 veces más grande que la del Sol… Esas estrellas acaban sus días explotando en una supernova y lo que queda tras la explosión es un objeto muy compacto, una estrella de neutrones, un objeto que tiene un radio de unos 10 km y una masa como la del Sol. La gran explosión de la supernova se lleva por delante una enorme cantidad de material que se pierde en el cosmos, lo que queda, es una estrella de neutrones, con una masa como si en el tamaño de la ciudad de Madrid tuvieras concentrada toda la masa del Sol. Además, se puede mover muy rápido, así que puede genera ondas gravitacionales, y estas sí, son detectables.
P: ¿Y los agujeros negros?
R: Sí. Hay otro tipo de objeto compacto importante, los agujeros negros. Empecemos por una estrella que tiene aún más masas solares, 20 o 30. Lo que sucede entonces es que al colapsar por su gravedad, con tanta masa, forma un objeto aún más compacto que la estrella de neutrones: un agujero negro. Estos dos sistemas, el de dos estrellas de neutrones o el de dos agujeros negros, sí que se mueven con grandes aceleraciones, y pueden producir ondas gravitacionales suficientemente altas para ser detectadas por LIGO y Virgo.
P: ¿Sistemas? ¿Van de dos en dos?
R: Las estrellas suelen estar más en sistemas binarios que aisladas. Es común en el cosmos ir de dos en dos, incluso de tres en tres. Si tenemos dos estrellas muy masivas en un sistema binario, si las dos explotan como supernovas, forman dos estrellas de neutrones o dos agujeros negros, una pareja ligada gravitacionalmente.
P: ¿Y el movimiento acelerado de esa pareja de monstruos cósmicos es el que produce las ondas gravitacionales detectables…?
R: Eso es, Lorena.
P: ¿Cómo nos afectan estas ondas en la Tierra, pueden ser dañinas?
R: Una onda gravitatoria que ha producido un objeto en movimiento acelerado, también va a producir efectos sobre otros objetos masivos. El otro objeto “afectado”, la Tierra por ejemplo, se va a contraer y expandir por efecto del paso de esa onda. Lo que ocurre es que esa contracción y expansión es muy pequeña. El efecto de una onda gravitacional al alcanzarnos, produciría una variación en la Tierra inferior al tamaño de un núcleo atómico. Existe, pero es muy difícil de detectar.
P: Y un buen día, ocurrió. Tuvisteis por primera vez confirmación de que esas ondas existían. ¿Pero llevaban años buscándolas?
R: Así es. La propuesta de encontrar estas ondas gravitacionales era un objetivo esencial de la astrofísica relativista. La construcción de detectores comenzó en los años 60, y en los 80 la NSF comenzó a financiar el diseño de un interferómetro grande, liderado por el MIT y Caltech. Han sido necesarios más de 50 años de trabajo para dar con ellas.
P: ¿En los años 80?
R: Entonces se construyeron prototipos muy pequeños. Realmente fue en 1994 cuando el proyecto LIGO recibió el espaldarazo definitivo, pero las observaciones no comenzaron hasta 2002. La idea era que cada vez se fuera mejorando el detector, ir añadiendo nuevas partes tecnológicas para ir aumentando poco a poco sus capacidades. Y así ha sido desde entonces. En 2011 ya existía un LIGO avanzado, y el 14 de septiembre de 2015 se produjo la primera detección. Al otro lado del Atlántico, en Europa, Virgo comenzó como proyecto Europeo en 1993, con Francia e Italia a la cabeza. En aquellos años propusieron a nuestros políticos españoles que formaran parte de Virgo. No quisieron participar.
P: ¿Cómo funcionan estos detectores?
R: Estos detectores están basados en interferometría láser. Se basan en un experimento de física muy famoso del siglo XIX, cuando se demostró la constancia de la velocidad de la luz y la inexistencia del éter. Esa misma idea, a escala gigante, es lo que se hace en LIGO y Virgo. Son tan sensibles que el efecto de una onda gravitacional se puede percibir. Nosotros entramos como equipo de trabajo en Virgo desde el 1 de julio de 2016, el grupo de Alicia Sintes ya estaba en LIGO desde hace mucho más tiempo.
P: ¿Estamos ante la maquinaria más complicada que hemos desarrollado los humanos?
R: Pues no te sé decir, pero al mismo nivel que el LHC en el CERN, sin lugar a dudas. Es fundamental que funcionen en un vacío casi perfecto. El rayo láser que viaja en el interior de estos aparatos para estudiar la interferometría viaja en un túnel de vacío casi perfecto, tan perfecto como el que hay en el LHC del CERN. Son las cámaras de vacío más perfectas que existen en el mundo. No es un vacío que se produzca en un recipiente de un metro cúbico, sino en un brazo de 4 kilómetros de largo, son muchas toneladas métricas de vacío…
P: ¿Cómo estáis seguros de que lo que se ha detectado es el efecto de una onda gravitacional producida por dos agujeros negros o de dos estrellas de neutrones?
R: Llevamos muchos años describiendo cómo son esas ondas sin haberlas detectado nunca. Primero estudiamos los sistemas astrofísicos que pueden dar lugar a ese tipo de señales ondulatorias, esas ondas gravitacionales: las explosiones de supernovas y las colisiones de estrellas de neutrones entre ellas.
P: ¿Y cómo las identificáis?
R: Necesitamos súper computadores para llegar a ello. Trabajamos ecuaciones tan complicadas que no pueden resolverse de forma exacta. Son ecuaciones diferenciales, para resolverlas hay que usar algoritmos. Son las ecuaciones de Einstein. Resolviéndolas, obtenemos patrones sintéticos de cómo deben ser las ondas gravitacionales de una colisión de dos estrellas de neutrones, o las que resultan de la explosión de una supernova. Resolviendo esas ecuaciones, obtenemos la forma de la onda.
En mi equipo de Valencia estamos especializados en materia, en la hidrodinámica de la materia. Y nos centramos en la modelación de las estrellas de neutrones, no de los agujeros negros.
P: Vaya, ¿por qué no en agujeros negros?
R: Un agujero negro es una solución de vació, sin materia, de las ecuaciones de Einstein, mientras que una estrella de neutrones sí tiene materia: bariones, materia ordinaria, hidrógeno etc. Todos elementos de la tabla periódica. Cuando tratas de describir una ola en el mar, el movimiento de un avión en el cielo, o el movimiento de las nubes, es lo mismo que al describir el movimiento de una estrella de neutrones. Las ecuaciones que gobiernan ese tipo de fenómenos físicos tan diversos, son siempre las mismas, las ecuaciones de la hidrodinámica. En el caso de las estrellas de neutrones, como los campos gravitatorios son tan grandes y las velocidades tan altas, próximas a la velocidad de la luz, las ecuaciones son más complicadas, porque no son las de Newton, son las ecuaciones de hidrodinámica en Relatividad General, y aquí, en Valencia, nos hemos especializado en estas, en concreto en las ecuaciones de la hidrodinámica de las estrellas de neutrones en sistemas binarios y en supernovas. Así, cuando hubo la primera detección en 2015 de agujeros negros (algo en lo que está especializado el equipo de Alicia Sintes), nosotros pensamos que sería interesante participar, aportando nuestro conocimiento en la modelización numérica de estrellas de neutrones en sistemas binarios, cuya detección estábamos seguros de que iba a producirse.
P: Que se detectaran primero ondas gravitaciones de agujeros negros ¿fue fortuito?
R: Los agujeros negros son masas grandes, moviéndose a velocidades muy altas… Los sistemas binarios eran los principales candidatos. Los agujeros negros tienen masas mayores que las estrellas de neutrones. Pueden tener 30 masas solares, 50 masas solares. Una estrella de neutrones es una masa solar y media, mucho más pequeña. Así que es normal que se detectara primero las ondas de binarias de agujero negros. En la primera campaña O1, se detectaron 3 ondas gravitacionales procedentes de 3 colisiones de binarias de agujeros negros, la primera fue la del anuncio GW150914 y luego hubo otra muy importante, llamada GW151226 o señal gravitacional del “boxing day”, el día en que abren los paquetes que deja Santa Claus, y luego hubo otra detección que no llegó a tener la importancia suficiente para estar 100% seguros, y se descartó. Pero en 2017 se detectaron ondas de binarias de estrella de neutrones, llegaron tanto a LIGO como Virgo.
P: ¿Qué habéis aprendido después de estas detecciones?
R: Estas ondas dan información de física fundamental. Es información sobre las famosas preguntas de hacia dónde se dirige el universo… Física fundamental. Lo primero que demuestran las detecciones es que Einstein volvía a tener razón con su predicción, que hizo 100 años atrás.
Además, se demostró la existencia de los agujeros negros. Esta detección de ondas gravitacionales coincidía perfectamente con la de los agujeros negros, sabíamos que eran ellos. Así que de algún modo, como subproducto, se ha comprobado su existencia. La confirmación de que esas ondas gravitacionales las habían producido agujeros negros es 100% absoluta.
P: ¿Se apunta a ellos?
R: No se apunta, estas ondas son lo que llamamos los físicos isótropas, se propagan en todas las direcciones del espacio y no se sabe de dónde vienen. Para saberlo, hay que tener más de un detector. Los LIGO son dos, uno en el Norte de EE.UU en Washington, y el otro al Sur, en Luisiana, separados unos 3.000 km. Y luego está Virgo, que está en otro continente, en Italia.
Lo importante de tener más de un detector es para saber de dónde vienen esa señal. Eso fue clave en la detección extraordinaria del 17 de Agosto de 2017. Durante ese mes se detectaron un montón de señales, las primeras ondas gravitacionales de dos estrellas binarias de agujeros negros detectada por tres observatorios al mismo tiempo. Hubo una primera detección triple de una binaria de agujeros negros, a esa fuente se la llama GW170814 y lo interesante de esa localización triple es que se sabía donde estaba. El día 17 de ese mes fue alucinante, yo es que me emociono al contarlo, y es que ese día lo que ocurrió fue que se detectaron ondas gravitacionales de un nuevo tipo de sistema, formado por dos estrellas de neutrones, un pulsar binario.
P: ¿La localizásteis?
R: Ese día, el 17 de agosto, LIGO y Virgo pudieron decir donde estaba la fuente en el cielo que había producido esas ondas gravitacionales de un sistema binario formado por dos estrellas de neutrones. Es muy importante. Al contrario de los agujeros negros, las estrellas de neutrones además producen ondas electromagnéticas, es decir, luz visible, rayos gamma, microondas, ondas de radio etc. Y en la Tierra y el espacio tenemos muchos telescopios y satélites que buscan señales… Tenemos antenas de radio, telescopios espaciales, terrestres en el óptico, el infrarrojo, el ultravioleta etc. Cuando LIGO y Virgo detectaron estas ondas, informamos a toda la comunidad astronómica mundial para que miraran en esa zona muy particular. Una zona muy pequeña en una galaxia que se llama NGC4993, y en esa galaxia situada a unos 130 millones de años luz de la Tierra, vimos en directo cómo ocurrió esa colisión de dos estrellas de neutrones… Todos vieron allí señales electromagnéticas, y fue alucinante.
P: ¿Qué vísteis?
R: Se dio respuesta a preguntas de la física relativista abiertas durante décadas. Se supo de manera cierta la correspondencia entre la colisión de estrellas de neutrones y las emisiones de rayos gamma (hasta entonces no sabíamos qué las producían) y todavía más importante fue asociar esa colisión de binarias con un nuevo mecanismo físico que hace algunos años se había llamado la Kilonova. Desde mi punto de vista es lo más importante que ha ofrecido a la ciencia la detección de ondas gravitacionales.
P: ¿Qué son las kilonovas? Jamás había oído hablar de ellas.
R: Una Kilonova son 1000 novas, y una nova es una estrella nueva en el cielo, transitoria, que aparece de repente. Desde 2010 había modelos teóricos que decían que en las colisiones de estrellas de neutrones, se debían producir Kilonovas, y lo que se predecía era algo extraordinario, y es que en esas estrellas se producía la formación de elementos químicos pesados, más allá del hierro.
P: El oro, ¿por ejemplo?
R: Así es. Sabemos que en la evolución de las estrellas se sintetizan elementos químicos cada vez más pesados. Una estrella como el Sol brilla gracias a que se produce radiación debido a que dos átomos de hidrógeno se fusionan y produce un átomo de helio, y en ese proceso se libera radiación, la luz, el calorcito del Sol… y la vida en la Tierra. En algún momento, el hidrógeno acabará, nos quedará helio, la estrella se comprimirá para iniciar la fusión del helio, y esto dará elementos cada vez más pesados, a lo largo de miles de millones de años. En estrellas más masivas, que dan lugar a supernovas, se sabe que el último elemento que producen tras todo este proceso es el hierro, pero más allá del hierro, no se sabía cómo se producen el resto de los elementos más pesados. Si miras la tabla periódica, verás que después del hierro hay un montón…
P: ¿No se sabía de dónde procedía el oro de la naturaleza?
R: No. La teoría de la kilonova lo que predecía es que esos elementos químicos se producen en un proceso de nucleosínteseis rápida en las estrellas de neutrones. Cuando colisionan, hay un montón de neutrones libres que pueden colisionar entre ellos. Ya estamos hablando de colisiones de partículas elementales, como en el CERN pero a escala cósmica. En esa colisión de neutrones se produce un protón y se liberan neutrones. Si esos neutrones libres son capturados por elementos químicos formados en la fase primordial de sistema, cuando estallaron las supernovas, elementos como el hierro o el silicio, el número atómico de esos elementos aumenta. Cada vez que un elemento captura un neutrón su número atómico aumenta, y aumenta, y aumenta… Y se forman elementos inestables, que tienden a la desintegración radiactiva, algo que ocurrirá cuando la mayoría de neutrones hayan sido capturados por esos elementos de alrededor. Y es en ese proceso cuando se produce la nucleosíntesis de elementos químicos que van más allá del hierro en la tabla periódica. Y esto es alucinante.
P: ¿Y eso es lo que visteis?
R: Cuando se acaban los neutrones, como esos isótopos generados son radiactivamente inestables, se produce la desintegración radiactiva, y se produce luz, una luz muy característica, fundamentalmente en el azul. El espectro de esa radiación electromagnética se había calculado en modelos teóricos de 2010, y en esta colisión de dos estrellas de neutrones que pudimos observar, allí, en esa galaxia, se vio cómo la luz de la Kilonova iba cambiando de azul a rojo según los modelos teóricos. La mayor parte de elementos de la tabla periódica se forman en estrellas de neutrones. Todo el oro de la tierra, todo el platino de nuestro planeta ha sido generado en la colisión de dos estrellas de neutrones.
P: De alguna manera, las ondas gravitacionales os permiten ver el cosmos con otros ojos
R: Estamos iniciando un nuevo campo, la astronomía de multimensajeros: uno son las ondas gravitacionales, otro las ondas electromagnéticas, y hay un tercer mensajero, los neutrinos, en el futuro también los detectaremos. Imaginad que estuviéramos delante de una orquesta, que está interpretando un tema que conoces, pero que por algún motivo solo ves el movimiento de las manos del director y los músicos, pero no lo puedes escuchar, solo tienes la luz, los fotones que te llegan a través de los ojos. Sería una información incompleta, ahora, con las ondas gravitacionales, también escuchamos esa partitura, tenemos información totalmente complementaria a la otra.
P: En breve, se inicia una nueva campaña de observación de LIGO y Virgo. ¿Alicia Sintes y tú seguís en el proyecto?
R: Sí, la nueva campaña empieza a principios de 2019. Ella sigue en LIGO, y nosotros desde Valencia en Virgo, que es la parte más Europea. La colaboración es muy extensa. Sobre todo la parte norteamericana, trabajan en ella más de 1.000 científicos. La europea es más modesta, somos unos 300. ¿Te haces una idea la cantidad de gente implicada? Así que Alicia y nosotros estamos diluidos en esa maraña de nombres. Hay múltiples expertos en muchos campos diferentes: cosmología, óptica, física aplicada, física de materiales, hay ingenieros, expertos en computación…
P: Así que esto es solo el principio.
R: Sí, vamos a seguir dando mucho que hablar.