Ondas gravitacionales

Ondulaciones en el espacio-tiempo

La teoría general de la relatividad de Einstein describe la gravedad no como una atracción, sino como una curvatura del espacio y del tiempo, unidos en el espacio-tiempo. Los objetos pesados curvan el espacio-tiempo y los demás objetos siguen esas curvas.

Cuando objetos masivos se mueven y aceleran, pueden enviar ondas a través del espacio-tiempo, un poco como un barco que levanta ondas en un lago. Son las ondas gravitacionales. Al pasar, estiran el espacio en una dirección y lo comprimen en la otra, una y otra vez, a la velocidad de la luz.

El efecto es diminuto. Incluso una onda procedente de dos agujeros negros que chocan cambia la distancia entre la Tierra y el Sol en menos del ancho de un átomo. Solo los sucesos más violentos del universo producen ondas que podamos aspirar a medir.

De la predicción a la prueba

Einstein dedujo en 1916 que las ondas gravitacionales debían existir, pero pensó que serían demasiado débiles para detectarlas. Durante décadas, muchos físicos incluso discutieron si eran reales.

La prueba indirecta llegó en 1974, cuando Russell Hulse y Joseph Taylor encontraron una pareja de estrellas de neutrones que orbitaban una alrededor de la otra. Con los años, su órbita se fue reduciendo exactamente al ritmo esperado si perdían energía en forma de ondas gravitacionales. El hallazgo les valió el Premio Nobel de Física de 1993.

Captar directamente una onda en la Tierra llevó otros 40 años y algunos de los instrumentos más sensibles jamás construidos.

Cómo funcionan LIGO, Virgo y KAGRA

LIGO, el Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, tiene dos detectores en Estados Unidos, en Hanford (Washington) y en Livingston (Luisiana). Cada uno tiene forma de L, con brazos de unos 4 km de largo.

Un haz láser se divide, se envía por ambos brazos, se refleja en espejos y se vuelve a combinar. Normalmente los dos haces se anulan. Si una onda gravitacional estira un brazo y comprime el otro, los haces se desfasan ligeramente y aparece un parpadeo de luz. El cambio de longitud es menor que una diezmilésima del ancho de un protón.

Tener varios detectores muy separados ayuda a descartar vibraciones locales, como camiones o terremotos, y permite localizar la fuente en el cielo. LIGO trabaja con Virgo, en Italia, y con KAGRA, un detector subterráneo en Japón. Juntos forman una red mundial.

La primera detección

El 14 de septiembre de 2015, los dos detectores de LIGO registraron una señal breve, un «gorjeo» ascendente que duró una fracción de segundo. Procedía de dos agujeros negros de unas 36 y 29 masas solares que giraban en espiral y se fusionaban a unos 1.300 millones de años luz.

En ese instante final, el equivalente a unas tres masas solares se convirtió en energía de ondas gravitacionales. El resultado se anunció en febrero de 2016, y en 2017 Rainer Weiss, Barry Barish y Kip Thorne recibieron el Premio Nobel de Física por su papel en LIGO.

Al terminar la cuarta campaña de observación, a finales de 2025, la red había registrado más de 300 señales candidatas. La mayoría son fusiones de agujeros negros, y un número menor implica estrellas de neutrones.

Lo que nos cuentan las ondas gravitacionales

En agosto de 2017 los detectores captaron ondas de la colisión de dos estrellas de neutrones. En cuestión de segundos, telescopios espaciales vieron un estallido de rayos gamma, y después observatorios de todo el mundo siguieron el brillo que se apagaba, llamado kilonova. Los restos contenían elementos pesados, una prueba sólida de que colisiones así forjan gran parte del oro y el platino del universo.

Las ondas gravitacionales revelan agujeros negros que de otro modo serían invisibles y muestran que abarcan una gama de masas más amplia de lo esperado. Permiten poner a prueba la relatividad general donde la gravedad es más intensa e incluso ofrecen una forma independiente de medir lo rápido que se expande el universo.

Como las ondas atraviesan el polvo y el gas casi sin alterarse, traen información directamente del corazón de sucesos que la luz no puede mostrar.

Escuchar desde el espacio: LISA

Los detectores terrestres oyen señales agudas de objetos relativamente pequeños. Para captar las ondas lentas y graves de la fusión de agujeros negros supermasivos en el centro de las galaxias, hace falta un detector con brazos mucho más largos que cualquiera en la Tierra.

La Agencia Espacial Europea aprobó en 2024 la misión LISA, construida junto con la NASA. Tres naves volarán formando un triángulo de unos 2,5 millones de km de lado, unidas por láseres y siguiendo a la Tierra en su órbita alrededor del Sol. En 2026, el lanzamiento está previsto hacia 2035.

Mientras tanto, los radioastrónomos usan redes de cronometraje de púlsares, que vigilan el tictac regular de muchos púlsares, y en 2023 anunciaron indicios de un suave zumbido de fondo formado por ondas gravitacionales muy largas. Las ondas gravitacionales no se pueden ver con un telescopio, pero hay servicios de alerta públicos que comparten las nuevas detecciones, a menudo en cuestión de minutos.