Había una vez dos estrellas que se atraían con la fuerza de un millón de soles

Había una vez, en un universo muy, muy lejano—tan lejano que la luz tardaría más de mil millones de años en llegar hasta allí—dos estrellas de una belleza incalculable. Su atractivo era tal, que otras miles y miles de estrellas, cada una con sus planetas, y cada uno con sus lunas, las seguían adonde iban, formando toda una galaxia a su alrededor. Pero a pesar de la enorme atracción que ejercían sobre estos incontables cuerpos celestes, las dos estrellas nunca se habían visto la una a la otra: se movían en línea recta por ese vasto y lejano universo sin esperanza alguna de encontrarse con alguien tan atractivo como ellas, sumidas en una cruel y eterna soledad en el centro de sus galaxias. Hasta que un día, que parecía iba a ser otro día frío, oscuro y silencioso, como todos los días en ese lejano universo, se vieron. De inmediato, la atracción entre ambas fue tan grande que—sin ellas poderlo controlar—sus caminos rectilíneos comenzaron a curvarse en la dirección de la otra estrella; se acercaban entre sí muy velozmente. Y, cuando se acercaban, la fuerza de atracción entre ellas se hacía aún más fuerte, lo que aumentaba aún más la velocidad con la que se acercaban. Luego de muchos años de acercarse más y más, en la inmensidad de ese universo, su cercanía fue tal que las dos galaxias pretendientes, con sus estrellas, planetas y lunas, ya eran una; y seguían, tan expectantes como confundidas, persiguiendo ahora a la pareja de estrellas más bellas de ese universo. Todos miraban asombrados la más espectacular de las danzas, dos estrellas girando rápidamente la una en torno a la otra sin poder frenar para alcanzarse de una vez y para siempre…

La espera no fue mucho más larga. Un día se alcanzaron, y se fusionaron en una única estrella, mucho más bella que cualquier estrella que haya existido jamás. Algunos dicen que el día de la fusión el tiempo se frenó por un instante, y otros hasta aseguran que la velocidad de atracción llegó al infinito justo antes del contacto. Lo cierto es que semejante unión dio lugar a una perturbación en el espacio y el tiempo que desde entonces se propaga a la velocidad de la luz por el universo, como las ondas de una roca al caer en un lago tan calmo como infinito, símbolo eterno de la más intensa atracción entre dos estrellas.

Simulación de la fusión entre agujeros negros. SXS project.

Como ya es de público conocimiento, este mes marcó un hito en la Historia de la Física y de la Humanidad en general: un equipo multidisciplinario de científicos del LIGO (Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferometría Láser) pudieron detectar por primera vez la onda gravitacional producto de la colisión entre dos agujeros negros, a unos 1.300 millones de años luz de la Tierra.

¿Pero qué es una onda gravitacional? ¿Será posible comprender de qué se trata sin ser un astrofísico? ¡Hagamos la prueba!

Primero, algunas definiciones. Según una antigua definición de gravedad, más didáctica que su definición en la Teoría de la Relatividad General de Einstein—donde la gravedad es el resultado de la curvatura del espacio cuatridimensional espacio-tiempo—, la gravedad es la fuerza que hace que dos cosas se atraigan más fuertemente cuando más pesadas son y más cerca están—tal como diría Newton, en la famosa anécdota de la manzana. Un agujero negro es un cuerpo celeste muy pequeño pero con una masa gigantesca, por lo que ejerce una enorme fuerza de atracción (gravedad) sobre todo lo que se le acerque; el campo de acción de esa fuerza se llama campo gravitacional, y siempre está lleno de estrellas, planetas, lunas, etc. que quedaron atrapados allí y nunca pudieron escapar, lo que conocemos como galaxias. Ahora, si un agujero negro entra en el campo gravitacional de otro, la fuerza de atracción entre ambos se hace enorme, e inmediatamente comienzan a acercarse entre sí, llegando a orbitar uno alrededor del otro… Hasta acá todo bien, pero el resto de la historia definitivamente no se puede explicar, ni siquiera en forma aproximada, con la simple teoría de Newton.

Simulaciones computacionales del equipo LIGO, basadas en la Teoría de la Relatividad General de Albert Einstein—quien la formuló hace 100 años—indican que estos agujeros negros tenían aproximadamente 29 y 36 veces la masa de nuestro Sol (2×1030 Kg, algo así como 20.000 millones de toneladas por cada grano de arena en nuestro planeta), y ambos se hallaban en un radio de sólo 210 kilómetros antes de la colisión. Si recordamos que nuestro Sol tiene un diámetro de 1.4 millones de kilómetros, es difícil de imaginar dos objetos con una masa total de 65 veces nuestro Sol, a menos de 210 Km de distancia. Más aún, los cálculos indican que el agujero negro resultante de la colisión tenía una masa de sólo 62 soles, ¿qué habría pasado con la masa faltante, equivalente a tres soles? Einstein nos lo explica también. Según su ecuación más famosa, la energía y la masa son distintas manifestaciones de una misma cosa, y están relacionadas con el cuadrado de la velocidad de la luz, E=mc2: la colisión, que sólo duró una décima de segundo, provocó una explosión tan fuerte que la masa de tres soles se desvaneció y se convirtió en energía pura, que fue expulsada en todas direcciones en una enorme chispa. Semejante cantidad de masa-energía tenía por supuesto su propia gravedad, y viaja desde entonces por el Universo a la velocidad de la luz, lo que constituye una onda gravitacional. Luego de 1.300 millones de años de viajar a 300.000 kilómetros por segundo, la onda gravitacional perdió muchísima masa-energía y se hizo extremadamente débil, por lo que su detección constituye un desafío tecnológico único.

¿Cómo puede ser que una señal tan débil haya tenido semejante repercusión internacional? Tal como lo dijo Stephen Hawking en un reportaje realizado con motivo de este descubrimiento (ver video al final), este descubrimiento no sólo permite validar la Teoría de la Relatividad General de Albert Einstein, sino que confirma la existencia de las ondas gravitacionales, de los agujeros negros, y de los sistemas binarios de agujeros negros; y permitirá en el futuro interpretar muchas otras señales débiles de eventos fundamentales que dieron forma a nuestro Universo—ciertamente, un experimento por demás exitoso, que seguramente será galardonado con el premio Nobel. KN_logo_black

Imagen destacada: Simulación de las ondas gravitacionales, Thoughty2.

Este artículo se basa en un comunicado de prensa del LIGO Caltech.


A continuación, un fragmento de un reportaje a Stephen Hawking (11-FEB-2016) opinando sobre este hallazgo, sin lugar a dudas el físico más importante que habitó nuestro planeta después de Albert Einstein.

Periodista: Profesor Hawking, ¿cuán importante es la detección de las ondas gravitacionales?

Hawking: Quisiera felicitar al equipo del LIGO por su descubrimiento sin precedentes. Estos resultados confirman predicciones muy importantes de la Teoría General de la Relatividad de Einstein. Confirman la existencia de las ondas gravitacionales directamente. Hasta ahora, nuestras observaciones del universo utilizaron la luz, ondas de radio y otras radiaciones electromagnéticas. Las ondas gravitacionales proveen una completamente nueva forma de mirar al universo. La posibilidad de observarlas tiene el potencial para revolucionar la Astronomía. Este descubrimiento es la primera detección de un sistema binario de agujero negros, y en realidad la primera observación de agujeros negros. Las propiedades observadas para este sistema son consistentes con las predicciones sobre los agujeros negros que yo hice en 1970 aquí en Cambridge [Reino Unido]. El área del agujero negro final es más grande que la suma de las áreas de los agujeros negros iniciales, como lo predice mi Teoría sobre las Áreas de los Agujeros Negros. Las propiedades de este agujero negro son también consistentes con la “teoría del agujero negro pelado” (Black-Hole No-Hair Theorem) que dice que ellos deberían estar únicamente caracterizados por su masa y su estado de espín. Los ensayos previos sobre la Relatividad General se han aplicado casi exclusivamente a los campos gravitacionales principales. Este descubrimiento nos permite probar las predicciones de la Relatividad General cuando los campos gravitacionales se destruyen en forma dinámica durante la fusión entre agujeros negros. Este descubrimiento también plantea un acertijo para los astrofísicos […] Estoy seguro que el equipo LIGO nos tendrá ocupados con muchas otras sorpresas.