Cómo se detectan las ondas gravitacionales

A las 9.51 de la mañana del 14 de septiembre de 2015, LIGO captó su primera onda gravitacional, un misterio del universo. Provenía de la colisión de dos agujeros negros 30 veces más grandes que el Sol, un cataclismo ocurrido a 1300 millones de años luz de la Tierra. Por Ixone Díaz Landaluce

Marica Branchesi, la astrofísica que ha liderado la observación de las ondas gravitacionales

QUÉ ES LIGO

LIGO está formado por dos observatorios que operan simultáneamente en Estados Unidos. Uno está situado en Livingston (Luisiana) y el otro en Richland (Washington, en la foto), separados exactamente por 3002 kilómetros. Dado que las ondas gravitacionales viajan a la velocidad de la luz, esta distancia corresponde a una diferencia en la recepción de las ondas de unos diez milisegundos. Las ondas gravitacionales tienen que ser registradas por dos observatorios gemelos para descartar vibraciones locales. De hecho, hay un tercer observatorio en Pisa, Italia. Se llama VIRGO y empezó a colaborar con LIGO en 2016.

¿Qué son las ondas gravitacionales?

Son vibraciones en el espacio-tiempo producidas por los cataclismos que tienen lugar en el universo, como las supernovas, la colisión de agujeros negros o el propio Big Bang. Son comparables a las ondas que se mueven en la superficie de un estanque al tirar una piedra. Las ondas gravitacionales deforman tiempo y espacio y viajan a la velocidad de la luz.

¿Cómo funciona LIGO?

Los observatorios LIGO están edificados en forma de ‘L’, con cuatro kilómetros de longitud por lado. Cada brazo cuenta con un túnel de vacío ultrasensible por cuyo interior pasa un rayo láser (1), divido en dos haces (2), que rebotan en los espejos colcados al final de cada tubo (3).

Normalmente, la luz lanzada a través de los tubos hacia los espejos regresa sin cambios. La frecuencia de cada haz del láser anula a la otra. No se registra luz, no cambia el patrón del detector.

¿Cómo detecta una onda?

Si en el momento de lanzar el láser se produce la ‘vibración’ de una onda gravitacional, los brazos cambian ligeramente de longitud. uno se contrae y otro se expande. Eso implica que la luz recorre una distancia diferente en un tubo que en otro. Por lo tanto, al regresar, tras ‘chocar’ con el espejo, no coinciden y, por lo tanto, no se anulan. Se filtra una luz que golpea el detector. Eso confirma que se ha registrado una onda.

¿Podemos sentir esas ondas?

Las ondas gravitacionales ‘estiran y aprietan’ el espacio y todo lo que se encuentran por el camino. Incluidos nosotros mismos. Pero su señal es tan leve que nosotros no podemos apreciarlas. Para detectar una onda se necesita un sistema ultrasensible, como los ‘brazos’ del LIGO, con unos tubos de vacío capaces de registrar esa dilatación y esa contracción, aunque sea de menos de diez milésimas del diámetro de carga de un protón.

¿Qué ondas han detectado?

LIGO empezó a funcionar en 2002, pero no fue capaz de registrar ninguna onda hasta que sufrió una intensa remodelación, entre 2010 y 2015, que permitió una sensibilidad cuatro veces superior. Dos días después detectó la primera onda gravitacional. Hasta la fecha, ha detectado estas ondas en cinco ocasiones. Las cuatro primeras correspondieron a la colisión de agujeros negros; la última, a la colisión de dos estrellas de neutrones.

¿Cómo se sabe de dónde provienen?

LIGO cruza sus investigaciones con otras que se llevan a cabo con telescopios convencionales y satélites de rayos gamma. Analizan los fenómenos que se producen al mismo tiempo que se registra la onda gravitacional. Y diferentes factores, analizado por 70 observatorios de todo el mundo, permiten saber lo que ha pasado. Los agujeros negros no emiten luz; las estrellas de neutrones sí. Además, la duración de la onda es diferente…

Un invento con historia

LIGO se basa en un invento del siglo XIX, el interferómetro, que se creó para medir distancias con una precisión muy alta mediante ondas de luz. Utiliza dos haces de luz que recorren dos trayectorias distintas, ‘chocan’ con un espejo, convergen y forman un patrón de referencia. Ese patrón es el que varía cuando se capta una onda gravitacional. La singularidad de LIGO es su alta sensibilidad.