Lo primero que debemos entender es el concepto de onda gravitacional. Las ondas gravitacionales son un fenómeno enmarcado dentro de la teoría de la relatividad general de Einstein, la teoría más exitosa que tenemos para explicar los fenómenos gravitacionales. Su rango de aplicabilidad abarca desde la descripción de fenómenos gravitacionales, como las órbitas de planetas y estrellas, hasta la expansión acelerada del propio universo.

El principio fundamental detrás de la relatividad general es que los objetos masivos curvan el espacio. Para los propósitos de este artículo, podemos pensar en el espacio como una malla que se puede deformar. Cuanta más masa tiene el objeto, mayor es la curvatura que genera en el espacio a su alrededor.
 

Curvatura del espacio generada por objetos con distintas masas

Por otro lado, la naturaleza es perezosa, y las partículas siempre intentan seguir el camino más corto entre dos puntos. En un espacio curvo, el camino más corto entre dos puntos no es necesariamente una línea recta, sino algo que llamamos geodésica. El ejemplo arquetípico de geodésicas serían las órbitas de los planetas alrededor del Sol. Debido a la curvatura del espacio que genera nuestra estrella, estas órbitas son elípticas. 

Representación del espacio curvado alrededor de una objeto masivo y cómo influye en el movimiento de otro objeto

Y sí, la Tierra es (casi) esférica y describe órbitas elípticas alrededor del Sol, no al contrario. Imagino que todo el mundo sabe esto, pero, por si acaso…

LAS ONDAS GRAVITACIONALES

Centrémonos en nuestro objetivo: ¿qué son las ondas gravitacionales? Cuando los objetos están en reposo, generan una curvatura en el espacio que no varía con el tiempo. Sin embargo, si el objeto está en movimiento, provoca que la curvatura del espacio cambie con el tiempo y, de hecho, pueden producirse deformaciones que se propagan como ondas. Si visualizamos el espacio como una superficie que se deforma debido a la presencia de materia, las ondas gravitacionales serían comparables a “pequeñas olas” desplazándose sobre esta superficie.

El efecto de las ondas gravitacionales producidas por objetos ordinarios como estrellas o planetas es extremadamente pequeño. Sin embargo, las ondas gravitacionales emitidas por la colisión de objetos tan masivos como dos agujeros negros pueden ser extraordinariamente energéticas. Por ejemplo, la energía emitida por unidad de tiempo en la fusión de dos agujeros negros cuyas masas sean aproximadamente 30 veces la masa del Sol es diez mil veces mayor que la emitida por todas las estrellas de todas las galaxias que constituyen el universo observable. ¡Sí, es una barbaridad!

Representación de la onda gravitacional generada por la fusión de dos agujeros negros. Crédito: LIGO/T. Pyle

Las ondas están caracterizadas por un número que llamamos longitud de onda, que es la distancia entre dos picos de máxima amplitud de la onda. Si volvemos a la imagen de las ondas gravitacionales como pequeñas olas propagándose sobre el espacio, la longitud de onda sería la distancia entre dos crestas de la ola. Dependiendo de la masa de los agujeros negros que se fusionan, las ondas gravitacionales generadas tendrán distintas longitudes de onda.

Para detectar una onda es necesario, por lo general, utilizar un detector o antena de un tamaño comparable a la longitud de onda de la onda en cuestión. Desde la Tierra, podemos detectar ondas gravitacionales con longitudes de onda comparables al radio de la Tierra, que es de aproximadamente 6.000 kilómetros. Esta es la longitud de onda típica de las ondas gravitacionales emitidas por agujeros negros “pequeños”, de unas pocas masas solares. En cambio, los agujeros negros supermasivos situados en el centro de las galaxias producen ondas gravitacionales con longitudes de onda comparables a la distancia entre las estrellas dentro de nuestra galaxia, es decir, del orden de algunos pársecs (un pársec es una unidad de medida que equivale a aproximadamente 31.000.000.000.000 kilómetros).

Como he mencionado antes, para detectar una onda de una cierta longitud de onda, se necesita un detector (o antena) cuyo tamaño sea comparable a esa longitud de onda. Por tanto, para detectar ondas gravitacionales emitidas por agujeros negros supermasivos, necesitaríamos una antena del tamaño de la propia galaxia, algo fuera de las capacidades tecnológicas actuales. ¿Cómo hemos hecho entonces para construir este detector?

UN DETECTOR DE ONDAS GRAVITACIONALES

Para construirlo, nos hemos ayudado de unas estrellas llamadas púlsares. Un púlsar es una estrella de neutrones extremadamente compacta que gira muy rápido y tiene un campo magnético muy intenso que apunta en una dirección diferente a su eje de rotación. 

Al igual que un barco que detecta la luz de un faro cuando esta barre en su dirección, desde nuestro planeta detectamos los púlsares como una señal luminosa periódica que nos llega siempre que el eje de su campo magnético apunta hacia la Tierra. De alguna manera, los púlsares se comportan como faros en el universo.
 

Impresión artística de un púlsar, rodeado de fuertes líneas de campo magnético (azul) y emitiendo un haz de radiación (púrpura). Crédito: NASA

El tiempo entre dos destellos luminosos provenientes de estos objetos es extremadamente regular, variando en algunos casos en una proporción inferior a una parte en un billón. Cualquier pequeña perturbación alrededor de un púlsar puede generar una desviación significativa en el tiempo de llegada de su señal, incluido - y aquí está lo interesante - el paso de una onda gravitacional. El problema es que, en caso de detectar un retraso o un adelanto en la emisión de un púlsar, no podemos asegurar que su origen sea exclusivamente el paso de una onda gravitacional, ya que podría haber sido provocado por cualquier otro fenómeno. En ese sentido, estamos “buscando señales entre el ruido”. 

Llegados a este punto, hace falta saber un último detalle sobre las ondas gravitacionales: decimos que las ondas gravitacionales son cuadrupolares. Esto significa que estiran el espacio en una dirección y lo contraen en la dirección perpendicular. En otras palabras, púlsares cercanos o púlsares situados a 180º con respecto a la Tierra muestran una correlación (cuando uno se adelanta o retrasa, el otro también se adelanta o retrasa de manera acorde), mientras que los que están situados a 90º mostrarán una anticorrelación (cuando uno avanza, el otro se retrasa).

Así pues, para detectar la señal que nos interesa, podemos observar las correlaciones entre los retrasos y adelantos en el tiempo de llegada de muchos púlsares dentro de la galaxia.

Lo interesante es que dentro del contexto de la relatividad general, podemos calcular el retraso o adelanto entre dos destellos luminosos consecutivos, dado que solo depende de su posición en el cielo y es independiente de la “intensidad” de la onda gravitacional que está pasando (por intensidad nos referimos a cuánto “estira” el espacio el paso de esta onda). Por ejemplo, si tenemos dos púlsares formando 90º en el cielo y uno sufre un retraso temporal, el otro experimentará un adelanto de aproximadamente un 20% del tiempo de retraso del otro. Este cálculo se puede realizar utilizando los principios de la relatividad general.

Sin embargo, para saber exactamente la cantidad de tiempo absoluta que un pulsar se va retrasar por el paso de una onda gravitacional - por ejemplo, conocer si un pulsar se retrasa 1s y el adelanto del otro es por tanto de 0.2s - requiere que sepamos la intensidad de las ondas gravitacionales que pasan por la galaxia.  Determinar la intensidad de las ondas desde un punto de vista teórico no es sencillo y requiere trazar su origen.

Un símil puede servir para ilustrar la explicación anterior en términos más sencillos. Imaginemos que nos sentamos en una carretera a las afueras de una fábrica de coches que produce coches de dos colores: rojo y azul. La política de la empresa es que por cada coche rojo que se fabrique, se tienen que fabricar diez coches azules. Sin embargo, es una compañía un poco caótica y no produce la misma cantidad de coches todos los días debido a variaciones en el suministro de materiales por parte de sus proveedores. Lo único que sabemos con certeza es que por cada coche rojo que fabrican, fabrican diez azules. Desde fuera de la fábrica, sabemos que por cada diez coches azules que pasen, pasará uno rojo. Lo que no podemos predecir es si veremos veinte coches azules y dos coches rojos, o treinta coches azules y tres coches rojos. Esto ilustra exactamente lo que ocurre con el retraso y adelanto en la llegada de los destellos luminosos de los púlsares: solo podemos determinar el retraso o adelanto relativo (un coche rojo por cada diez azules), pero conocer el número exacto requiere conocer la fuente de las ondas gravitacionales (cuántos “coches” van a venir).

El retraso o adelanto relativo predicho por la relatividad general coincide perfectamente con las observaciones. La parte más interesante viene de observar las desviaciones absolutas en el tiempo de llegada de la señal de los púlsares y compararlas con las estimaciones teóricas. Para hacer estas estimaciones, necesitamos calcular la cantidad de ondas gravitacionales generadas en el universo y que llegan a nuestra galaxia. Esto requiere estimar el número de galaxias con agujeros negros supermasivos en su centro, la frecuencia de encuentros entre dos o más de estos agujeros negros, y la intensidad de las ondas gravitacionales generadas en cada uno de esos encuentros. Es un trabajo titánico de arqueología cósmica.

Para realizar esta estimación, hemos utilizado la información que tenemos sobre la historia de nuestro universo, que combina observaciones y modelos teóricos y computacionales. El resultado total del adelanto/atraso de las señales de los púlsares obtenido es ligeramente inferior a la señal detectada recientemente por el consorcio International Pulsar Timing Array (IPTA), un conjunto de experimentos que en junio de de 2023 publicaron evidencias muy claras de la existencia de un fondo cósmico de ondas gravitatorias producidas por colisiones de agujeros negros (ver figura inferior). 

Podría ser que nos estemos dejando por el camino algunos agujeros negros, algunas de las fusiones de agujeros negros o que no entendamos bien algunos puntos de la historia del universo. O, lo que sería más interesante en mi opinión, ¡que existen algunas fuentes de ondas gravitacionales aún por descubrir! Esto son unas noticias estupendas: las ondas gravitacionales abren una nueva ventana al universo y la podríamos llegar a utilizar incluso para descubrir nuevos objetos astrofísicos invisibles hasta ahora.

Representación de la señal de las ondas gravitacionales detectadas experimentalmente. La línea discontinua representa la predicción teórica basada en nuestras estimaciones teóricas y está ligeramente por debajo de las observaciones.  Crédito: The NANOGrav Collaboration