El Efecto Saporima

Lo imprevisible. El Efecto Mariposa es una manera visual de comprender los fenómenos físicos relacionados con el caos, en la que una pequeña perturbación dentro de un sistema puede tener consecuencias considerables e irreversibles. El término fue acuñado durante el siglo XX por el matemático y meteorólogo Edward Lorenz y venía a decir que si tenemos dos mundos casi idénticos, pero en uno de ellos hay una mariposa aleteando, a largo plazo ambos acabarán siendo muy distintos. Esa quasi-insignificante mariposa podría llegar a provocar un tornado a una gran distancia de donde produce sus aleteos, mientras que en el otro no sucede absolutamente nada. La amplificación en esos términos es muy “perceptible”, podemos entender que es una hipotesis altamente improbable, pero todos visualizamos que, en nuestro mundo, el aleteo de una mariposa en el Cabo de Buena Esperanza sudafricano podría provocar un huracán en la península del Labrador canadiense.

Pero… ¿y si hacemos la operación inversa?¿Podríamos comprender la física de las ondas gravitacionales partiendo de una hipótesis inversa a la de Lorenz?



Las ondas gravitacionales son algo imperceptible a nivel físico para todos nosotros los mortales, aunque algunos sí que han sido capaces de vislumbrar con lápiz, papel y fórmulas que algo debía estar pasando si se interpretaba el continuo espacio-tiempo del universo como un mar de atracciones en el que cuerpos celestes flotan como corchos en el agua deformándolo más o menos en función de su masa. Uno de ellos, y el primero que lo dejó por escrito, fue Albert Einstein.


Imaginemos una unión de dimensiones gigantescas en la que dos elementos se orbitan mutuamente por atracción gravitatoria hasta que se unen, girando cada vez más cerca y cada vez más rápido. La fusión de ambos generaría una ingente cantidad de energía inasumible en ese nuevo sistema que sería liberada en todas direcciones. Esas ondas viajarían por el espacio debilitándose a medida que se van alejando del lugar en el que se ha producido la unión de estrellas de neutrones y/o agujeros negros, pasando a través de todo lo que encuentren a su paso. Al inicio he hablado del Efecto Mariposa, pues bien, este escenario de fusión y liberación de energía sería el escenario inicial de justamente lo contrario. El suceso que provoca una inmensa onda viajera sería nuestro huracán en la Península del Labrador que iría atenuándose hasta que al llegar al Cabo de Buena Esperanza sería tan insignificante como el aleteo de una mariposa. De ahí el título de este post, “Saporima” en lugar de “Mariposa”.


Lo ocurrido se mide en masas solares y sucede -sucedió- hace miles de millones de años a millones de años-luz de distancia. Para comprender mejor las medidas con lo que más o menos conocemos, seamos groseros y pensemos que, comparada con un huracán, la explosión tendría muuuuchos ceros a la derecha. Y la señal que llegaría a Sudáfrica tendría muuuuchos ceros a la izquierda. Poniéndonos técnicos: la energía liberada equivale a 8 soles. Las ondas gravitacionales circulan por el continuo espacio-tiempo como puede verse en este vídeo.



Partiendo de esa base, es probable que surja la pregunta “¿y cómo se mide algo tan increíblemente pequeño?”, pues con mucho cuidado… Bromas aparte, la tecnología gracias a la cuál somos capaces de identificar ondas tan imperceptibles es una virguería de la ingeniería, mezclada con un poco de perseverancia. El primer lugar en el que se consiguieron detectar fue el observatorio LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory), un proyecto estadounidense que consiguió milagrosamente obtener los fondos necesarios para ampliar la sensibilidad de sus aparatos hasta el mínimo necesario para “ver-escuchar” las ondas en sus dos kilométricos brazos -perpendiculares entre sí-. Al final, lo que recogen los detectores son curvas “parecidas” a las de un sismógrafo al uso que tienen una longitud y una duración. El interferómetro es un sistema basado en rayo láser y espejo; podría pensarse que es como los de las películas de ladrones, pero no es tan similar como puede parecer a simple vista. En lo que hemos visto en el cine, lo que se detecta es la interrupción del rayo en sí, que no llegue rayo al detector y la alarma del banco o el museo salta. En un interferómetro, como LIGO (o el italiano Virgo), ese rayo se divide en dos, llevándose cada mitad por un brazo distinto, haciéndolos de ida y vuelta con un espejo para que se vuelvan a reunir. Así se garantiza conservar la fase, y gracias a ello se obtiene información detalladísima del trayecto que ha recorrido cada rayo. Si algo perturba ese trayecto, la señal cambia. Y son esos cambios los que se detectan, aunque en ocasiones esa distorsión es tan pequeña que puede confundirse con vibraciones del suelo o cualquier otra fuente de ruidos. Por eso, cuando se detecta la misma desviación en dos lugares separados entre sí miles de kilómetros, como los que separan Hanford (Washington) y Livingston (Louisiana) en LIGO, podemos afirmar que “algo” ha pasado. La onda gravitacional lo que hace es estirar esa señal. Verla en ambos brazos, o incluso en observatorios diferentes del mundo (o del espacio en LISA, de quien os hablaré otro día), es la confirmación.



Lo que pasaba hasta aquel 14 de septiembre de 2015 era que los sensores no detectaban distorsiones tan sumamente pequeñas. Podría decirse que, hasta ese momento, estábamos intentando cortar un filete con una cuchara cuando lo que necesitábamos era un cuchillo. Y desde que se mejoró la sensibilidad los científicos están encantados. Han ocurrido muchas cosas desde aquella primera fusión de dos agujeros negros detectada. Entre ellas, por ejemplo, se confirmó que no solamente son detectables las ondas creadas por la fusión de agujeros negros, sino que también lo son las de estrellas de neutrones, e incluso cuando uno de aquellos engulle a una de estas.


SPOILER: este párrafo puedes saltártelo si no te gusta que los datos te abrumen.

La última onda gravitacional sumada al carro (GW190521) se anunció a primeros de este mes de septiembre, pero fue detectada el 21 de mayo del año pasado, y es significativamente especial porque es la mayor registrada hasta la fecha. El baile cósmico entre un agujero negro de -aprox.- 85 masas solares y otro de 66 dio como resultado uno de masa intermedia, es decir, entre 100 y 1.000 masas solares. En esta ocasión, el equipo formado por LIGO y Virgo ha descubierto que cada agujero negro giraba alrededor de su propio eje en un ángulo diferente del de sus órbitas. Ese desalineamiento probablemente provocó que sus órbitas se tambaleasen modificando sus movimientos a medida que iban girando en espiral uno hacia el otro. El tamaño aproximado de esa unión es de unas 142 masas solares. Efectivamente, 85+66=151. Y 151 no es 142. La diferencia entre ambas cifras es la brutal cantidad de energía liberada en forma de ondas gravitacionales equivalente a unos 8 soles, que ha llegado hasta nosotros desde unos no menos brutales 5 gigaparsecs de distancia (1 gigaparsec = 30.856.804.799.935.500.000.000 km) y se produjo hace unos 8.000 millones de años, cuando el universo era la mitad de viejo de lo que es hoy. La duración de la señal detectada es de menos de una décima de segundo. Y con todo ello ha quedado patente que la realidad que es capaz de registrar LIGO está por encima de las expectativas creadas.


Ejemplo de señal de la primera detección (GW150914)


Es relativamente sencillo decir que un agujero negro se crea después de la explosión de una estrella que colapsa. Y es complicado explicar qué fenómenos ocurren para hacer colapsar una estrella (no lo haré, porque seguramente lo haga mal). Lo que si más o menos es entendible es que según lo que se sabe sobre la formación de estrellas, las estrellas no muy grandes se crean de una determinada manera y pueden llegar a dejar hueco a agujeros negros de hasta 65 masas solares, y las excepcionalmente grandes se crean en base a otros mecanismos y dejan agujeros negros de hasta 130 masas solares. Eso quiere decir que hay un hueco entre esos límites de creación de agujeros negros de 65 a 130 que no se sabe muy bien cómo se forman. Y ese el tema que traerá de cabeza a los científicos ahora: ¿de dónde procede el de 85 masas solares que ha formado parte de GW190521? Tendremos que esperar para ver qué hipótesis plantean.




Agradecimientos: Joaquín Sevilla (@Joaquin_Sevilla)


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