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AVANCES DE CIENCIA

El largo camino hacia las ondas gravitacionales

El hallazgo que justificó el premio Nobel de física de 2017 es el fruto de un esfuerzo investigador de decenios.

El físico Roberto Emparan relata esta gesta en un libro sobre cosmología que sale el martes.

Roberto Emparan

iluminando

Roberto Emparan, autor de Iluminando el lado oscuro del Universo (Ariel, 2018) / Ariel

Extracto de “Iluminando el lado oscuro del Universo”, de Roberto Emparán (Ariel, 2018)

Selección a cargo de Michele Catanzaro

21 ceros  

Este era el reto para Rai Weiss y Kip Thorne: 0,000 000 000 000 000 000 00X

Había que extraer ese decimal oculto tras la hilera de 21 ceros. Estos provenían de sus estimaciones para la amplitud de las ondas gravitatorias que su detector —entonces todavía poco más que un sueño— habría de llegar a medir.

Corría el año 1975, y la astrofísica había progresado mucho desde los tiempos en que Weber, con un desconocimiento casi absoluto acerca de los fenómenos que podrían emitir esas ondas, lanzó su programa pionero. Ahora, en cambio, las estrellas de neutrones se tenían ya por una realidad. Para muchos astrónomos, los agujeros negros —las más puras criaturas de las ecuaciones de Einstein— no eran más que otra fantasía de los físicos teóricos, pero para quienes trabajaban en la detección de ondas gravitatorias constituían una posibilidad fascinante. Los violentos choques entre estos objetos habían de ser una fuente intensa de vibraciones del espaciotiempo, de esa elusiva radiación gravitatoria. Es cierto que eran muy altas las incertidumbres sobre cuántas de tales colisiones cabía esperar y la distancia a la que ocurrirían. Pero al menos Weiss y Thorne tenían un número creíble al que aferrarse como su objetivo.

Gotas en el océano

Cuando una onda gravitatoria con esa amplitud llegase a la Tierra, su paso haría que los kilométricos brazos del detector que Weiss y Thorne proyectaban se estirasen y encogiesen minúsculamente: tan solo una milésima parte del tamaño de un núcleo atómico. La ínfima magnitud de este desplazamiento es el número que yace tras los 21 ceros. Detectarlo es comparable a vaciar una jarra de agua en los océanos y medir cómo ha variado el nivel del mar, controlando, entre muchos otros factores, el oleaje incesante.

Con sus barras resonantes, Weber podía llegar a extraer un número escondido detrás de hasta 16 ceros, lo que es equivalente a medir el cambio en el nivel del agua tras vaciar la jarra en uno de los pantanos más grandes del mundo. Algo ciertamente impresionante, pero para desgracia de Weber, todavía insuficiente.

La idea que perseguía Weiss, ya antes de conocer a Thorne, requería un diseño de detector totalmente diferente, impulsado por avances técnicos recientes, en particular el gran desarrollo de la tecnología del láser. Con ello parecía verosímil llegar, si bien con mucho esfuerzo, al decimal número 21.

Suena la música

Estos nuevos detectores, denominados interferómetros de láser, serán los protagonistas del siguiente capítulo. Pero podemos adelantar algunas de sus diferencias respecto a las barras de Weber. En lugar de resonar como diapasones, los interferómetros miden cómo cambia la separación entre dos masas colgadas como péndulos que se mueven cuando entre ellas pasa una onda gravitatoria (la medida se hace con una luz láser que viaja entre ambos objetos). Por tanto, reaccionan de forma distinta al oír la música gravitatoria: si las barras de Weber se unen a cantar la melodía, los interferómetros bailan siguiendo su compás.

Además, mientras que un diapasón no vibra más que al recibir sonidos del mismo tono al que está afinado, tanto los micrófonos (y nuestros oídos) como los interferómetros permiten captar un rango amplio del espectro de frecuencias, desde tonos graves hasta agudos. En lugar de oír tan solo una barra de xilófono, los interferómetros permiten percibir la orquesta completa.

El corazón del ruido

Weiss no era el primero en proponer un interferómetro como instrumento de detección de ondas gravitatorias. La idea había sido planteada años antes por al menos dos grupos en la Unión Soviética. De hecho, parece que también el propio Weber la había sugerido. Pero a Weiss, quien la concibió independientemente, le corresponde el mérito de creer realmente en ella y estudiarla con tal grado de detalle que la situaba en la antesala de lo factible.

En una obra maestra del análisis de las dificultades que afrontará un experimento, Weiss rastreó y caracterizó exhaustivamente los distintos efectos indeseados que podrían ahogar la señal a detectar. Es decir, mostró cómo extraer la singular música de las ondas gravitatorias del interior del corazón del ruido

"La comunidad científica no es ni mucho menos inmune a las miserias humanas, pero a menudo presenta lo que nuestra sociedad podría llegar a ser si dejase a un lado las mezquindades tribales. "

Roberto Emparan

"Iluminando el lado oscuro del Universo" (Ariel, 2018)

“La enumeración de los distintos ruidos (es decir, fluctuaciones en la señal aleatorias e incontrolables) que Weiss estudió desafía la credulidad. Tuvo en cuenta los ruidos de: la amplitud, la frecuencia y la potencia de la luz láser; las vibraciones por la agitación térmica (microscópica) de los componentes del detector; las vibraciones sísmicas (no solo microterremotos: también el efecto rítmico de las olas que golpean las costas del continente); los posibles impactos de rayos cósmicos (radiación que cae constantemente sobre toda la Tierra); las variaciones en el campo gravitatorio que crean la atmósfera, el suelo y todas las distribuciones cambiantes de masa que rodean al detector; y los campos eléctricos y magnéticos causados por tormentas geomagnéticas.”

Tras entender las características de cada ruido, Weiss propuso estrategias para suprimirlos, reducirlos o aislarlos, y para maximizar la señal a detectar.

Conclusión: se podía bucear bajo 21 decimales dominados por ruido, y de ahí extraer la cifra preciosa en su fondo. Todavía el detector no tenía nombre, pero la concepción de LIGO se puede trazar hasta su origen en este informe.

Tomando el pulso

Mientras tanto, las ondas gravitatorias estaban revelándose de una manera muy distinta, indirecta, a través de las ondas de radio que recibía la gigantesca antena de Arecibo en Puerto Rico. En 1974, Joseph Taylor y su estudiante Russell Hulse observaban un sistema binario de púlsares, estrellas de neutrones que emiten pulsos rítmicos de radio mientras orbitan una en torno a otra. Lo habían descubierto recientemente, pero era posible ver que iba perdiendo energía, lo que hacía que ambas estrellas se fuesen acercando entre sí, con mucha lentitud pero sin dejar lugar a dudas. La pérdida de energía correspondía de forma exacta a los cálculos teóricos de emisión de ondas gravitatorias en la teoría de Einstein (las ecuaciones también predicen que la órbita todavía tardará 300 millones de años en reducirse hasta que ambas estrellas colisionen).

Por tanto, aunque Hulse y Taylor no estaban detectando las ondas gravitatorias, su presencia se manifestaba al ver cómo dos estrellas variaban su curso al ritmo preciso que marcaba la emisión de las ondas. En 1993 recibieron el premio Nobel de Física por su descubrimiento.

Quizás esta evidencia nos parezca poco espectacular por indirecta, pero despejaba cualquier duda razonable acerca de la realidad de las oscilaciones del espaciotiempo. Ahora el reto era su detección directa.

En el calor de la noche

En una calurosa noche de verano en Washington, en 1975, Rainer Weiss y Kip Thorne unieron sus destinos para los siguientes cuarenta años. Quizás, de hecho, para la eternidad.

Habían sido convocados allí por la NASA con el fin de examinar cómo la exploración espacial podría ayudar a la relatividad y la cosmología. Esa noche, Thorne no tenía reserva de alojamiento y todos los hoteles estaban llenos. Era la primera vez que se veían en persona, pero Weiss le ofreció compartir su habitación.

Thorne, un joven pero ya reputado físico teórico experto en la teoría de Einstein, estaba interesado en impulsar un programa de experimentos sobre gravedad en su institución, el California Institute of Technology, más conocido como Caltech. Thorne ya había examinado la interferometría como una posible técnica de detección de ondas gravitatorias, pero la había desechado casi inmediatamente. Mediante un rápido cálculo vio que no alcanzaría la precisión necesaria.

"En una calurosa noche de verano en Washington, en 1975, Rainer Weiss y Kip Thorne unieron sus destinos para los siguientes cuarenta años. Quizás, de hecho, para la eternidad. "

Roberto Emparan

"Iluminando el lado oscuro del Universo" (Ariel, 2018)

Aquella noche, Weiss y Thorne, superando la incomodidad entre desconocidos forzados a compartir su intimidad, comenzaron a hablar de sus proyectos. Thorne no sabía del programa que Weiss había comenzado en el Massachusetts Institute of Technology (MIT). No tardó en despertar su interés: quizás se había precipitado al descartar los interferómetros. Para cuando ambos se fueron a dormir, pasadas las cuatro de la madrugada, Weiss ya había convencido a Thorne de la viabilidad imbatible de la interferometría con láser.

La enorme ambición del programa solo era comparable a su dificultad —y el reto real resultaría mucho mayor y más prolongado de lo que ninguno de ellos aún sospechaba—, pero los argumentos de Weiss lo situaban dentro de lo imaginable. A partir de ese momento, Thorne se convirtió en el cerebro de la parte teórica del proyecto y en su mejor animador y propagandista.

Troika

Ambos científicos acordaron desarrollar el programa en sus respectivas instituciones. Pocos años después, Thorne consiguió fichar para Caltech a un brillante e inventivo físico experimental escocés, Ronald Drever, que desde hacía un tiempo desarrollaba en Glasgow su propio proyecto, más reducido, de detectores interferométricos de láser.

Drever era un típico ejemplo de científico puro, tan absolutamente devoto de sus magistrales experimentos como incapaz de manejarse en otras áreas más mundanas. Entre sus colegas era famoso por su manera única de concebir en imágenes lo que otros apenas podían plasmar en ecuaciones o palabras. Con los años, sería el principal responsable de muchos de los elementos esenciales para que los modernos detectores funcionen con la precisión y eficiencia requeridas.

En 1984 nació el proyecto LIGO —el acrónimo es de Weiss— como un programa con entidad y financiación propia. Weiss, Thorne y Drever proponían construir un detector interferométrico con el que hacer ciencia real, es decir, no un mero prototipo como los de otros grupos en esa época. Para ello debían fabricar al menos dos aparatos gemelos. La experiencia de Weber demostraba que un solo detector no distingue fácilmente una señal genuina del mero ruido. Nadie se convencería del descubrimiento hasta que dos detectores idénticos oyesen el mismo sonido.

Además, resultaba claro que, para alcanzar la sensibilidad necesaria, los detectores tendrían que ser muy grandes: cuanto más largos sean los brazos del interferómetro, mayor será el desplazamiento que sufran al paso de la onda. LIGO debía construirse a escala de kilómetros, un proyecto descomunal en comparación con los que Weber continuaba haciendo en laboratorios convencionales.

El comité directivo de LIGO lo formaron, naturalmente, Weiss, Thorne y Drever, coloquialmente conocidos como la Troika. No tardó en verse que LIGO nunca despegaría con esta Troika al mando. Ninguno de ellos tenía experiencia en proyectos de esta envergadura, muy diferentes a los que hasta entonces Weiss y Drever desarrollaban en sus laboratorios con equipos de pocas personas. En particular, llevar a buen término un experimento a gran escala requiere fijar su diseño en un cierto momento y comprometerse a fondo con ello. Drever era particularmente reacio a estos compromisos, y constantemente discutía alternativas y propuestas de mejoras, pese a los retrasos y desajustes de presupuesto que conllevarían. Mes tras mes, LIGO permanecía incapaz de salir del papel de los planos.

"El comité directivo de LIGO lo formaron, naturalmente, Weiss, Thorne y Drever, coloquialmente conocidos como la Troika. No tardó en verse que LIGO nunca despegaría con esta Troika al mando."

Roberto Emparan

"Iluminando el lado oscuro del Universo" (Ariel, 2018)

Ante esta parálisis, la Fundación Nacional de la Ciencia (NSF), la agencia encargada de financiar el proyecto, intervino para poner al mando a un único director capaz de sacar el proyecto adelante, alguien que entendiese la ciencia involucrada pero que tuviese experiencia de gestión y capacidad ejecutiva. El físico Rochus Vogt, anteriormente vicepresidente y preboste de Caltech, fue el primero en ocupar ese asiento, pero no sin crear disensiones profundas. Drever abandonó el proyecto en 1992 en medio de un gran malestar.

Tras estos cambios, Weiss y Thorne continuarían teniendo un papel muy prominente en LIGO —a ojos de toda la comunidad seguían encarnando el espíritu científico del experimento—, pero la criatura, todavía débil, ya no era solo suya.

Gran Ciencia

LIGO había de ser un proyecto de «Gran Ciencia», comparable a los de la física de partículas elementales que, desde la posguerra, habían construido con espectacular éxito las grandes catedrales de la ciencia moderna: los aceleradores de partículas del CERN, Fermilab y otros centros. Estos son proyectos de cientos o miles de millones de dólares, que involucran impresionantes obras de ingeniería civil y coordinan equipos de centenares o miles de científicos y técnicos.

Pero con Vogt, LIGO todavía no estaba funcionando así. En 1994, tras un ultimátum de la NSF, fue sustituido por Barry Barish, un talentoso físico de partículas que recientemente había aprendido en propia carne cómo no gestionar un experimento de Gran Ciencia, de hecho, el más faraónico de todos ellos: el Supercolisionador Superconductor, malogrado al exceder crónicamente su superexagerado superpresupuesto.

Bajo la firme y eficiente dirección de Barish, el proyecto de LIGO adquirió por fin la solidez de un gran experimento, muy alejado de la innovadora anarquía propia de los pequeños laboratorios. A finales de 1994 comenzaron las obras en el primero de los lugares elegidos para albergar los detectores: Hanford, en el estado de Washington, seguido pocos meses después por el segundo detector en Livingston, Louisiana. Ambos aparatos estarían separados por 3.000 kilómetros. Superada su precaria y agitada infancia, LIGO daba sus primeros pasos en el camino hacia su madurez.

Colaboración

La comunidad científica no es ni mucho menos inmune a las miserias humanas, pero a menudo presenta lo que nuestra sociedad podría llegar a ser si dejase a un lado las mezquindades tribales.

Barish no quiso que LIGO fuese el proyecto exclusivo de un reducido grupo de científicos, ni siquiera del país que lo impulsó. Y no solo por ideales de generosidad internacionalista: veía que se necesitaba del talento colectivo de la comunidad científica para poder desarrollar y explotar LIGO al máximo. Por ello impulsó la creación de la Colaboración Científica LIGO (LIGO Scientific Collaboration, LSC), con Rainer Weiss como su primer portavoz, que en la actualidad suma, con un funcionamiento democrático, más de mil científicos en quince países. En España, el grupo de Alicia Sintes en las islas Baleares entró a formar parte de la LSC desde su comienzo.

La larga travesía

La trayectoria estaba trazada y LIGO continuaría creciendo hasta que en 2002 pudo anunciar el arranque de su funcionamiento. Durante esta primera fase, LIGO —de acuerdo con lo previsto— todavía no llegaba a la sensibilidad deseada. Tan solo era capaz de arañar la superficie bajo los primeros 20 ceros, y hubiese necesitado mucha suerte —algún fenómeno inesperado, una colisión muy cercana— para poder anunciar un descubrimiento.

Esa suerte no llegó. Muchos de entre los ajenos al experimento observaban la evolución de LIGO sin poder evitar la sospecha de que nos hallábamos ante el siguiente capítulo de la embarazosa historia de Weber. ¿Llegarían alguna vez a detectarse las ondas gravitatorias de forma indiscutible? Paradójicamente, el silencio de LIGO era la mejor garantía de su éxito. El detector funcionaba de manera impecable: los científicos estaban realmente seguros de no haber oído nada —ningún anuncio en falso— y aprendían a entender la personalidad de su complejo y delicado aparato.

En 2010, siguiendo el esquema planeado por Barish, LIGO entró de nuevo al taller. Tras una reforma tan extensa como intensiva, reapareció en septiembre de 2015 bajo su nueva encarnación, «LIGO Avanzado». Ahora sí: diez veces más sensible que su anterior avatar, LIGO Avanzado estaba listo para sondear la estructura del espaciotiempo hasta el fondo del decimal número 21 y más allá.

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