Nanograv: una nueva ventana para descubrir el Universo.

Hubo un tiempo en el que el ser humano se valía únicamente de sus ojos para mirar al cielo. Fue un tiempo lejano, donde la incertidumbre y el desconocimiento se suplían con la imaginación. Y con sus ojos, llenos de curiosidad, nuestros antepasados intentaron explicar lo que veían y entender la regularidad de los cielos. Eran como niños aspirando a conocer algo que les trascendía. Y, por el camino, llenaron el cielo de dioses, de estrellas errantes y de mitología.

Nuestra joven especie estaba dando, sin saberlo, sus primeros pasos hacia el conocimiento. Hacia la ciencia. Alguien descubrió de alguna manera que si hacías pasar un rayo de luz por una lente, un objeto lejano podía verse como si estuviera más cerca. Poco sabemos de esa persona. Quizás era holandés, pero en esto, como en tantas cosas, no hay certezas absolutas. Y, más tarde, alguien, un genio, quiso saber cómo se verían las luces lejanas que brillan en el cielo a través de ese aparato. De este último sí que sabemos mucho. Sabemos mucho de él y, también, gracias a él. Por eso le consideramos el “padre de la ciencia”.

Porque fue el pisano Galileo Galilei (1564-1642) el que, con ese pequeño gesto de levantar un telescopio hacia los cielos, nos abrió una ventana al conocimiento humano. Los cielos inmutables ya no lo eran tanto. Cosas que el desconocimiento había suplido con la imaginación, de repente, cobraban sentido y surgían nuevas preguntas cada vez más complejas. Porque algo estaba claro: la única información que podíamos tener de lo que ocurría allí arriba nos venía en forma de luz. Me imagino a los astrónomos de la época. Debían sentirse como se sentiría un biólogo al que le señalan un bosque allá a lo lejos, le entregan unos prismáticos y le piden que explique exactamente que es aquella masa verde que se ve en la distancia. Y le piden que lo explique todo. Sólo con la luz.

Y entonces llegó Newton (1642-1727). En su tumba dice así “Aquí descansa Sir Isaac Newton, Caballero que con fuerza mental casi divina demostró el primero, con su resplandeciente matemática, los movimientos y figuras de los planetas, los senderos de los cometas y el flujo y reflujo del océano”. Sin embargo, me gusta más el epitafio que escribió el poeta Alexander Pope (1688 – 1744): “La naturaleza y sus leyes yacían ocultas en la noche: dijo Dios ¡hágase Newton! Y todo fue luz”. O su variante tan maravillosa o más que la anterior: “y dijo Dios: ¡hágase la luz! Y Newton fue”.

Luz. Siempre luz. Es nuestra ventana al Universo. Es con la luz, y gracias a Newton, como el Cosmos nos cuenta de qué están hechas las estrellas, de dónde vienen los átomos de los que estamos hechos nosotros mismos. De dónde vienen las moléculas con las que se ha formado la vida. Es con la luz como el Universo nos cuenta su historia. Dijo una vez el gran astrónomo y divulgador Carl Sagan (1934-1996): “El Ser Humano es el Universo conociéndose así mismo”. Tan sólo necesitábamos entender la naturaleza de la luz y fabricar aparatos para colectarla, dividirla, separarla, juntarla… Y nos hacía falta la ciencia para todo ello, y la matemática, y la genialidad humana. Menuda cocktelera.

La ciencia es maravillosa. Porque el ser humano es maravilloso. Es difícil para el más común de los mortales entender como puede un genio, sólo con papel y lápiz, construir un edificio matemático en forma de teoría física que sea capaz de explicar la estructura del Universo, la geometría del Cosmos. El genio, esta vez, se llamaba Albert, era alemán y judío y su apellido era Einstein (1979-1955). Y soñaba de pequeño con saber cómo se vería el mundo cabalgando a lomos de un rayo de luz. La luz. Siempre la luz. Y fue este genio el que comprendió que, cabalgando a lomos de un rayo de luz, viajaríamos en línea recta en un espacio que se deformaría, se curvaría, en presencia de las masas. Así, los objetos enormes que forman nuestro Universo, las estrellas, los planetas, las galaxias, los agujeros negros, cualquier objeto con masa, deforma la estructura del cosmos, curvándolo, retorciéndolo… incluso creando pozos infinitos donde si caes, no puedes salir. El espacio-tiempo le dice a la materia cómo moverse; la materia le dice al espacio-tiempo cómo curvarse.

Y cualquier masa que se moviera de forma acelerada, arrastraría esa estructura del espacio-tiempo, generando ondas, como las que crea en el agua una piedra que cae. Y esas ondas serían ondas de gravedad y viajarían por el universo a la velocidad de la luz, estirando y encogiendo levemente todo aquello con lo que se encontrasen. Y el mundo, el propio Universo y la vida en la Tierra permanecían ajenos a todo eso, hasta que el genio alemán lo plasmó en forma de ecuaciones matemáticas que el resto de los mortales podemos entender, interpretar y maravillarnos ante tal genialidad. 

Y aquello no fue sino otro reto para aquellos que pensaron que podrían intentar construir un aparato capaz de detectar esas ondas de gravedad. Y así lo hicieron. Y con ello, abrieron una nueva ventana al Universo. Ahora el Universo nos hablaba también en otro lenguaje. No sólo en el lenguaje de la luz, si no en el lenguaje de lo que le pasa a la estructura del espacio-tiempo cuando los objetos interactúan con él. Einstein soñó con viajar a lomos de un rayo de luz. Nunca sabremos si soñó también con viajar a lomos de una onda de gravedad.

Decenas, centenares, miles, miles de millones de agujeros negros chocando entre sí, colapsando comiéndose unos a otros, entre sí y a otros objetos, como las estrellas de neutrones. Todas y cada de esas interacciones generan ondas de gravedad que viajan por el espacio e interactúan también entre ellas mismas. Me imagino la estructura del espacio tiempo sufriendo como sufre el agua cuando le arrojas un montón de piedras y se generan olas, todas interactuando entre ellas. Pues así es como el universo se nos muestra si tratamos de ver qué nos quiere contar analizando ondas de gravedad. 

Nuestra tecnología nos permite en la época actual construir laboratorios como LIGO y VIRGO capaces de detectar las ondas de gravedad que se producen cuando dos agujeros negros se fusionan. Conseguirlo ha sido un logro más del estilo a los que nos tiene acostumbrados nuestra especie. Porque las ondas de gravedad son perturbaciones que lo que hacen es modificar la distancia entre los objetos. Por tanto, todos esos agujeros negros que están en sistemas binarios están generando ondas de gravedad que viajan hacia nosotros y la suma de todas esas ondas las podemos detectar utilizando un sistema ingenioso.

Imaginad que con un radiotelescopio estamos mirando una estrella de neutrones, un púlsar. Su velocidad de giro es inmensa debido a que la estrella, al perder buena parte de su masa al morir, se ha encogido y ahora mide varios kilómetros. Antes medía centenares de millones de kilómetros. Por tanto, está girando sobre sí misma miles de veces por segundo. Si coincide que los polos magnéticos de esa estrella apuntan hacia la Tierra, cada vez que gire nos llegará un pulso en forma de onda electromagnética (luz). Si gira miles de veces por segundo, recibiremos miles de pulsos por segundo. Si gira millones de veces por segundo, recibiremos millones de pulsos por segundo. 

Imaginad que tenemos tecnología para “contar” cada uno de esos pulsos. Es fácil comprender que acabamos de descubrir un método que nos permite calcular el tiempo con una precisión muy alta. Por ejemplo, si el púlsar gira un millón de veces por segundo, seremos capaces de medir el tiempo con una precisión de 0,000001 segundos. El púlsar está girando en el vacío del universo, emitiendo sus ondas electromagnéticas y generando sus ondas de gravedad. Son esas emisiones las que frenan el giro del púlsar (la energía no se crea ni se destruye, tan sólo se transforma, por lo que si un objeto emite radiación u ondas gravitacionales, como contrapartida, debe estar perdiendo energía al girar). Pero lo hacen a un ritmo tan bajo que seguramente no notaríamos nada durante los primeros 100 años miendo los pulsos de ese objeto.

Si tenemos la suerte de que el polo magnético del púlsar apunta hacia nosotros, detectaremos esos pulsos y los podremos contar. Pero (ahora lo sabemos) entre el púlsar y nosotros el espacio está “agitándose” debido a las ondas de gravedad. Y en ese “mar” o, mejor dicho, “sobre ese mar”, viaja el pulso electromagnético (la luz). Y se estira y se encoje según sube y baja por cada una de esas ondas de gravedad que se va encontrando en su camino. Imaginemos que tenemos una serie de púlsares alrededor de la Tierra y los estamos monitorizando. Cada vez que una onda de gravedad estruje y estire la galaxia, acercará y alejará esos púlsars de nosotros, afectando a cómo medimos el pulso que nos llega.

Durante quince largos años, los astrónomos han estado mirando 68 de los púlsares que hay en nuestra galaxia. Escogidos precisamente por su regularidad, porque para este experimento necesitábamos púlsares que fueran extremadamente regulares. Tan regulares que la precisión con la que medimos sus pulsos es de 10 elevado a menos 15 segundos (un femtosegundo: hay más femtosegundos en dos segundos que segundos tiene el Universo desde su creación). Con el experimento de LIGO se pueden detectar las ondas gravitacionales producidas cuando colisionan dos agujeros negros de varias decenas de masas solares. Esas ondas de gravedad tienen unas frecuencias de 100 Hz: es decir, la onda de gravedad sube y baja 100 veces por segundo. Sin embargo, con este otro experimento, el experimento de Nanograv, lo que podemos medir son ondas de gravedad que suben y bajan una vez cada 10 años. Son experimentos totalmente complementarios. Si LIGO lo causan agujeros negros de decenas de masas solares, Nanograv detecta agujeros negros de billones de masas solares.

Pensemos ahora en lo que un agujero negro es en sí mismo: por propia definición, nada puede salir de ellos. No nos llega luz y no podemos ver cómo interactúa con otro agujero negro. Sin embargo, como en esa interacción se generan ondas de gravedad que podemos medir, tenemos una forma de ver cómo es esa interacción y podemos ver cosas que antes no podíamos de ninguna manera porque estábamos mirando sólo en la ventana que nos proporciona la luz, las ondas electromagnéticas.

¿Qué es Nanograv?

Nanograv es una colaboración de unos 200 científicos que pertenecen a unas 70 instituciones en Estados Unidos y que llevan quince años recopilando la información que nos llega de los púlsares con el radiotelescopio de Arecibo y de Green Bank, en West Virginia. Por cierto, el codirector del proyecto es un astrofísico español de la Universidad de Oregon: Xavier Siemens. Durante 15 años han estado anotando una vez al mes cuándo llega el pulso de cada uno de los 68 púlsares que han estado monitorizando. Y ha sido así hasta diciembre de 2020, momento en que el radiotelescopio de Arecibo se desmoronó, colapsó, se hundió.

Aunque había planes para su recuperación, el futuro de Nanograv está ya no está en Arecibo, si no junto a un nuevo radiotelescopio: el DSA 2000 (Deep Sinoptic Array), formado por 2000 antenas de unos 5 metros de diámetro cada una construido como un conjunto unido entre sí con técnicas de interferometría, para actuar como un único radiotelescopio. Si bien el plato de Arecibo era de 300 metros, no tenía posibilidades de girar al estar apoyado sobre el terreno montañoso. DSA 2000 sí que va a permitir mover las antenas, orientándolas hacia el trozo de firmamento que se observar.

Las tareas de Nanograv serán las necesarias para poder medir las propiedades de las señales detectadas; esto es, medir lo que se conoce como el espectro de la señal; es decir, la potencia que tenemos a cada frecuencia. Como esa señal es producida por ondas de gravedad que se han generado cuando agujeros negros supermasivos (es decir, los que están en los centros de las galaxias) han colisionado entre sí, estas mediciones nos van a contar la frecuencia con la que las galaxias emergen en nuestro Universo, como una función del tiempo. Es decir, que vamos a poder saber, por ejemplo, cual era la frecuencia de colisiones de galaxias hace mil millones de años, o hace tres mil millones de años.

También, analizando ese espectro, se podrá intentar medir la relación entre el tamaño de la galaxia completa frente a la del agujero negro supermasivo de su centro. Además, cuando una galaxia colisiona con otra, la evolución del resultado depende del entorno; es decir, si están interaccionando con estrellas o si hay gas o material alrededor de esos agujeros negros que estén afectando a la evolución del sistema. Midiendo el espectro, por tanto, podemos entender mucho de lo relacionado con la evolución de las colisiones de galaxias a lo largo de la historia del Cosmos. Y cotejar la teoría con la observación.

Se espera poder tener resultados de estos análisis hacia el año 2030.

Escucha el podcast: https://go.ivoox.com/rf/127827496