A la recerca de la música de l'univers: ones gravitacionals

Fa uns 1.000 milions d'anys, la Terra estava finalitzant el període geològic del Proterozoico. La vida no va ser complexa, però existien organismes simples i la nostra atmosfera s'estava omplint d'oxigen, el planeta s'estava convertint en idoni per a organismes més complexos.

Mentrestant, en l'altre extrem de l'univers, dos enormes forats negres de 30 km de radi giraven un al voltant de l'altre, donant pas a un dels episodis més violents de l'univers. La distància entre ells rondava els 350 km i les velocitats relatives eren de 100.000 km/s. Només faltava un moment (0,2 segons) per a xocar i formar un únic forat negre. A mesura que es movien, produïen grans deformacions en continu espai. Si poguéssim ser testimonis d'aquest procés, els intervals de temps mesurats i les distàncies espacials es veurien reduïts i creixents periòdicament a mesura que el camp gravitacional s'adapta a les variacions dels forats negres. Aquestes són precisament les ones gravitacionals que van ser emeses per aquests gegants després d'uns pocs segons. Va ser llavors quan aquesta pertorbació va començar el seu viatge per l'univers.

Mentrestant, la nostra atmosfera es va estabilitzar formant organismes vius més complexos en la terra. Entre ells, fa menys d'un milió d'anys, els humans, que, dotats de pensaments abstractes, van començar a construir teories amb la intenció de comprendre la naturalesa. Quant a la gravitació, en l'últim segle hem après molt. De fet, l'existència d'ones gravitacionals no va ser acceptada fins a la dècada de 1950. Però la majoria dels científics de llavors pensava que seria impossible detectar-los, els seus efectes són tan petits. No obstant això, la història no va trigar molt a desmotivar a aquests científics.

De fet, el 14 de setembre de 2015, dos detectors de LIGO (des de l'anglès, Observatori d'Ondas Gravitacionals per Interferometría Làser) van mesurar un senyal: els seus braços de 4 km estaven vibrant, estirant i escurçant. Aquest canvi de longitud era mínim (menor que la grandària d'un protó), però mesurable amb la tecnologia desenvolupada per a LIGO. Després de l'anàlisi del senyal es va concloure que es va detectar una ona gravitacional formada per la col·lisió entre dos forats negres. El senyal generat per aquests dos forats negres, després d'un llarg viatge, va acabar arribant a la Terra i de fet hem estat testimonis del seu impacte.

Relativitat general

En 1915, Albert Einstein va publicar una nova teoria per a descriure la interacció gravitatòria: la relativitat general [1]. Descrivia perfectament els efectes fins llavors coneguts. Però, a més, la teoria ocultava una sèrie de conseqüències inesperades. Entre elles, les ones gravitacionals: les vibracions de l'espaitemps continu.

En moure's pel temps espacial deformat pel Sol, la Terra realitza òrbites corbes en lloc de seguir línies rectes. ED. : T. Pyle/Caltech/MIT/LLIGO Lab.

Per a descriure la interacció gravitatòria, la relativitat general suposa que vivim en un continuum en quatre dimensions. Les tres dimensions habituals són les espacials (profunditat, amplària i altura) i la quarta el temps. Aquest continuum es deforma quan posem en ell l'energia o la massa. Igual que quan posem un pes en el centre a una malla elàstica, si deixem anar una pilota sobre la xarxa, aquesta cau cap al cos central, seguint un moviment corb. Això és el que els ocorre als planetes quan es mouen en un temps espacial deformat pel Sol. En lloc de moure's correctament, realitzen òrbites corbes. Per tant, la relativitat general explica la interacció gravitatòria com una deformació de l'espaitemps continu.

Quant a les ones gravitacionals, Einstein les va predir en els anys posteriors a la publicació de la seva teoria [2-3], i Oliver Heavid i Henri Poincaré van donar a la idea postulada anteriorment [4-5] una formulació matemàtica precisa. Igual que les càrregues elèctriques accelerades emetien ones electromagnètiques (llum), les masses accelerades també haurien d'emetre ones gravitacionals. Quan els cossos es mouen, la deformació que produeixen en un temps espacial continu va canviant, i aquest canvi es transmet a través del continuum, com les ones que produeix un vaixell quan es mou en la mar.

Però, les ones gravitacionals poden escalfar un got d'aigua?

En les següents quatre dècades es va produir un profund debat científic sobre l'existència d'aquestes ones. El formalisme matemàtic de la relativitat general era tan complex que era molt difícil deduir d'ella interpretacions físiques clares. Resumint, la pregunta era: aquestes ones que es presentaven matemàticament en teoria eren físiques? És a dir, transporten energia?

El mateix Einstein ha canviat diverses vegades d'opinió. En 1936 va intentar publicar, al costat del seu col·laborador Nathan Rosen, la demostració matemàtica que negava l'existència d'ones gravitacionals. L'article no va ser aprovat en la prestigiosa revista Physical Review, però les seves conclusions van ser modificades i publicades en una altra revista [6], concloent que llavors van trobar un tipus d'ona especial (avui dia es denominen ones d'Einstein-Ros). Finalment, en la dècada de 1950, diversos físics van aconseguir proves teòriques innegables de l'existència de les ones gravitacionals [7-8].

El següent pas era la detecció experimental d'aquestes ones. Les ones més energètiques es produeixen quan es produeixen episodis astrofísics violents (en la col·lisió d'objectes compactes o al començament de l'univers), a causa de la gran deformació del temps espacial. Però es necessita una precisió enorme per a mesurar les deformacions que produeixen aquestes ones en arribar a la Terra: La distància de la Terra a l'estrella més pròxima equival a mesurar-la amb l'error de l'amplària d'un pèl. No obstant això, en anys posteriors es van detectar aquestes ones en dos experiments coneguts.

Polsera Hulse-Taylor

Un prémer emet radiació des dels seus pols magnètics. En la imatge apareix un prémer que gira al voltant d'una altra estrella. El sistema, mitjançant l'enviament d'ones gravitacionals, perd energia i disminueix la distància entre les estrelles. ED. : ESO/L. Calçada.

Un prémer és una estrella de molt alta densitat i petita grandària (radio 10-100 km) que gira molt ràpid al voltant del seu eix (triga uns segons a fer un volt completa). El camp magnètic que l'envolta és molt gran i emet radiació electromagnètica (llum). Aquesta radiació surt dels pols magnètics, la qual cosa dóna forma de far a aquestes estrelles que giren i emeten dos raigs de llum en direcció contrària.

En 1974, els astrònoms Russel Hulse i Joseph Taylor estaven estudiant un prémer tan típic. Girava cada segon 17 vegades al voltant del seu eix, normal entre aquestes estrelles, per la qual cosa tenia un període de 59 mil·lisegons (interval entre dos polsos). Aquest prémer tenia la particularitat que estava en òrbita al voltant d'una altra estrella.

Observant això, es va concloure que dues estrelles realitzaven òrbites el·líptiques al voltant del seu centre de masses, però que també s'estava reduint la distància entre ambdues. Perquè aquesta aproximació es produís, el sistema havia d'estar perdent energia, i l'única manera de fer-ho era mitjançant l'emissió d'ones gravitacionals. Van provar aquesta hipòtesi i van comprovar que les dades experimentals s'ajustaven amb gran precisió a la pèrdua d'energia prevista per la relativitat general [9]. És per tant la primera observació de les ones gravitacionals, per la qual cosa Hulse i Taylor van rebre el premi Nobel de Física de 1993.

Mesures per interferometría

Però l'observació d'Hulse i Taylor no va ser directa, sinó indirecta. És a dir, les ones gravitacionals van ser necessàries per a explicar la dinàmica d'aquest sistema binari, però encara no hi havia dispositius per a la seva detecció.

En la dècada dels 90 es va proposar que les ones gravitacionals podien mesurar-se mitjançant interferometría i es van construir diversos detectors (LLIGO als Estats Units [10], VIRGO a Itàlia [11] i GEO-600 a Alemanya [12]). Tots ells es van basar en el fet que les deformacions relatives que produeixen les ones gravitacionals són molt petites, per la qual cosa caldrà deformar una cosa molt gran. Per això, els detectors estan formats per dos braços perpendiculars de 3-4 km. A més, s'utilitza un làser per a mesurar amb precisió la longitud de cada braç. El làser s'envia des del punt de trobada dels braços i, una vegada reflectit en un mirall situat al final de cada braç, torna a l'origen. Finalment, se superposen els raigs làser que tornen de cada braç. Mentre no variïn les longituds dels braços, el sobrenadante dels raigs no variarà, però quan la longitud canviï, quedarà visible en el perfil que genera la superposició.

Les següents imatges mostren els dos detectors d'ones gravitacionals de LIGO amb braços de 4 km de longitud. Es van construir dues còpies iguals, una a Louisiana i una altra a Washington, per a descartar els matolls que poden causar els efectes locals. ED. : Caltech/MIT/LLIGO Lab.

Aquesta és la teoria. No obstant això, en l'activitat s'han hagut de resoldre molts problemes tecnològics per a millorar la sensibilitat d'aquests detectors i detectar les ones gravitacionals. Després de molts anys de treball, l'equip LLIGO va aconseguir finalment, en 2015, aconseguir la sensibilitat per a mesurar les ones gravitacionals i detectar directament la primera ona gravitacional [13]. Aquest resultat ha estat un dels descobriments científics més importants de l'últim segle. De fet, el premi Nobel de Física 2017 va ser atorgat pels científics Barry Barish, Kip Thorne i Rainer Weiss per liderar aquest projecte.

Astronomia per ones gravitacionals

Fins ara hem observat l'univers a través d'ones electromagnètiques (llum visible, raigs infrarojos, raigs X, ones de ràdio...), però estàvem sords quant a les ones gravitacionals. Aquest tipus d'ones es produeixen en fenòmens molt energètics com el xoc entre forats negres o estrelles denses i el començament de l'univers. A més, es mouen a través de la matèria, amb una pèrdua d'energia molt baixa, per la qual cosa malgrat haver travessat ones distants, estrelles i galàxies senceres, arriben a nosaltres amb la seva forma original pràcticament inalterada.

Esperem que en les pròximes dècades es detectin de manera sistemàtica aquestes ones. La seva anàlisi ens permetrà obtenir informació molt útil sobre els processos més violents de l'univers i estudiar les propietats bàsiques de l'espaitemps continu. Segur que no faltarà sorpreses.

Bibliografia

Treball presentat als premis CAF-Elhuyar.