¿Cómo detectar las ondas gravitacionales del nacimiento del universo?

Los métodos para detectar las esquivas ondas gravitacionales varían desde instrumentos más grandes que la propia Tierra hasta cristales más pequeños que el coronavirus

Al tirar una piedra en un lago se producen ondulaciones en la superficie que llegan hasta la orilla. Ciertos sucesos cósmicos tienen un efecto similar en el tejido del espacio-tiempo. Cuando ocurren eventos astronómicos colosales, como la colisión de dos agujeros negros, el espacio-tiempo vibra y la gravedad se altera. Las ondas gravitacionales de esos sucesos llegan hasta nosotros.

El estudio de las ondas gravitacionales avanza despacio, pero los expertos opinan que conocerlas en profundidad podría llevar a descubrimientos comparables a a las distintas frecuencias de la luz más allá de la visible, como los rayos X o la luz ultravioleta, que fascinaron a los científicos en el siglo XIX y cambiaron la física para siempre.

A pesar de que la detección de agujeros negros es relativamente fácil, encontrar las ondas gravitacionales que producen es una tarea que increíblemente complicada. Aún más difícil es detectar las ondas de gravedad que se produjeron con el nacimiento del universo.

El inicio del Universo, hace unos 14 mil millones de años, dejo su marca en forma del fondo cósmico de microondas. Esta radiación de fondo era hasta hace poco el único rastro que los científicos podían detectar del Big Bang. Pero la enorme explosión y la rápida expansión del universo que vino después también dejó ondas gravitacionales masivas. ¿Dónde están?

Las ondas gravitacionales que predijo Einstein

Las primeras ondas gravitacionales fueron identificadas en 2015 por el Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), una maquina con dos enormes “brazos” en forma de L de cuatro kilómetros de largo cada uno. Las minúsculas interferencias producidas por las ondas gravitacionales dentro de estos brazos confirmaron la existencia de las ondas gravitacionales predichas por Einstein en su teoría de la Relatividad Especial en 1905.

LIGO detectó las ondas gravitacionales producidas por el choque de dos inmensos agujeros negros.Pero para detectar las ondas producidas por eventos más grandes, como el agujero negro supermasivo del centro de nuestra galaxia, o las ondas del Big Bang, se necesitan aparatos mucho más grandes que LIGO.

Las ondas gravitacionales del Big Bang tienen tanta amplitud que intentar verlas con un dispositivo en la Tierra sería como meter un coche real en un garaje de juguete. El dispositivo tendría que ser de un tamaño planetario.

El plan más avanzado para crear un detector capaz de detectar los ecos gravitacionales del inicio del universo es el Laser Interferometer Space Antenna (LISA). Este instrumento estará compuesto por tres satélites, que en vez del patrón L crearán un triángulo que orbitará la Tierra a miles de kilómetros de distancia entre sí, formando un instrumento de medición más grande que nuestro planeta.

Los relojes cósmicos también detectan las ondas gravitacionales

Para detectar las órbitas gravitaciones de eventos masivos podría existir otro método que no requiera un dispositivo tan grande como LISA. Podemos usar unos relojes cósmicos que existen en el universo: los púlsares.

Los púlsares son estrellas de neutrones supermasivas que giran sobre sí mismas y emiten ondas de radio desde sus polos. Estas señales son periódicas y fáciles de detectar, por lo que si una onda gravitacional deforma el espacio-tiempo por donde viaja la señal llegará antes o después de lo esperado.

Los púlsares podrían ser usados por una asociación de observatorios de todo el mundo, llamada NanoGrav, para observar las ondulaciones del espacio tiempo más esquivas. Comparándolos con LIGO o LISA, los púlsares harían de extremos en los brazos de la maquinaria para detectar las ondas gravitacionales, esta vez con miles de años luz de distancia entre sí.

A pesar de que estos detectores serían más grandes que la propia Tierra, el físico Sougato Bose, de la Universidad de Londres, piensa que mediante física cuántica podría crearse un aparato para detectar ondas gravitacionales que cupiese en la palma de nuestra mano.

Física cuántica para entender el Big Bang

En la física cuántica, es decir la que estudia el universo en una escala subatómica, los objetos pueden estar en un estado de superposición. Esto quiere decir que sus propiedades no están completamente definidas, hasta que son medidas o interactúan con el entorno de alguna manera.

La superposición no es posible para los objetos cotidianos, como el famoso gato de Schrödinger. Son demasiado grandes e interactúan continuamente con su entorno, por lo que no pueden estar indefinidos en una superposición.

Pero el equipo de Bose opina que, manteniendo un cristal de cientos de nanómetros (un poco más grande que un átomo, pero más pequeño que un virus) en un entorno de vacío el suficiente tiempo, se podría forzar a que estuviese en un estado de superposición cuántica que detectase las ondas gravitacionales.

Esto no sería nada fácil, pero Bose afirma que todas las dificultades técnicas individuales del experimento ya se han solucionado con anterioridad. El problema es el dinero. “No veo ningún impedimento en hacer esto en los próximos diez años, más o menos, si existe la suficiente financiación”, afirma el científico.

Cualquiera que sea la opción con la que se puedan estudiar las ondas gravitacionales, muchos científicos lo ven como una de las fronteras de la física que más merece la pena superar. El jefe de equipo del proyecto LISA, Paul MacNamara, lo expresa así: “Cuando abres una nueva ventana al universo, normalmente, ves cosas que no te esperabas. Ahí es cuando la diversión empieza de verdad”.

REFERENCIA

Mesoscopic interferences for metric and curvature & gravitational wave detection