¿Cómo se detectaron las ondas gravitacionales?

Un temblor de 1/10.000 de protón

El 14 de septiembre de 2015, a las 09:50:45 UTC, los dos interferómetros del Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferometría Láser (LIGO), en Hanford (Washington) y Livingston (Luisiana), registraron al mismo tiempo una señal que duró una fracción de segundo: una oscilación que subió de frecuencia desde 35 hasta 250 Hz, con una relación señal-ruido de 24.^[1] La probabilidad de que fuera una coincidencia de ruido se calculó después en menos de un evento cada 203.000 años: una significancia estadística mayor a 5,1 sigma, un estándar muy por encima del habitual en física para hablar de un descubrimiento.

Lo que había pasado, a unos 1.300 millones de años luz (410 megaparsecs),^[6] era la fusión de dos agujeros negros de unas 36 y 29 masas solares, que terminaron en uno solo de 62 masas solares. Las tres masas solares que faltan en la cuenta —el equivalente a tres soles enteros— se convirtieron en energía pura, radiada en ese último segundo en forma de ondas gravitacionales, ondulaciones del espacio-tiempo que Einstein había predicho exactamente cien años antes, en su teoría general de la relatividad de 1916.

Para cuando esa onda llegó a la Tierra, ya había perdido casi toda su fuerza. Lo que LIGO midió fue un cambio en la longitud de sus brazos de 4 kilómetros menor a 1/10.000 del ancho de un protón.^[2] Los propios ingenieros de LIGO lo explican con una comparación: es como si, a la distancia de la estrella más cercana —4,2 años luz—, se pudiera notar un cambio del ancho de un cabello humano.^[2]

Cómo lo sabemos

Medir un cambio tan chico exige un instrumento hecho a esa escala. Cada detector de LIGO es un interferómetro de Michelson modificado: un láser se divide en dos haces que viajan por brazos perpendiculares de 4 kilómetros, rebotan en espejos suspendidos en el extremo y vuelven a juntarse.^[2] Si los dos brazos miden exactamente lo mismo, los haces se recombinan y se cancelan; si uno se estira una fracción de más que el otro —como haría una onda gravitacional al pasar, que achica el espacio en una dirección mientras lo estira en la perpendicular—, la cancelación deja de ser perfecta y aparece luz en un fotodetector, formando un patrón de franjas que cambia con el movimiento.

Para que ese cambio minúsculo sea detectable, LIGO multiplica la sensibilidad de varias formas: el láser entra con apenas 40 vatios, pero rebota unas 300 veces dentro de cada brazo gracias a un par de espejos enfrentados (una cavidad Fabry-Perot), lo que alarga el camino efectivo de la luz a unos 1.200 kilómetros, y espejos de “reciclado de potencia” devuelven la luz al sistema en lugar de perderla, hasta acumular unos 750 kilovatios circulando dentro del instrumento.^[2] Con todo eso, el detector queda sensible a cambios de longitud miles de veces más chicos que el núcleo de un átomo.

La razón de tener dos detectores, separados 3.000 kilómetros entre Washington y Luisiana, no es redundancia: es la forma de descartar falsos positivos. Un camión que pasa, un terremoto lejano o una falla del equipo producen ruido en un solo sitio; una onda gravitacional real llega a los dos detectores con una diferencia de tiempo de pocos milisegundos, coherente con la velocidad de la luz y la dirección de donde vino la señal. Esa coincidencia, más la forma exacta de la señal —que coincidió con lo que la relatividad general predice para dos agujeros negros en espiral y fusión— es lo que convirtió un temblor casi imperceptible en una detección confirmada.

Lo que se suele decir mal

Se repite que Einstein “sabía con certeza” que las ondas gravitacionales existían desde que las predijo en 1916. No es tan simple: en 1936, junto con su colaborador Nathan Rosen, Einstein llegó a escribir a un colega que las ondas gravitacionales no existían, resultado de un análisis que después resultó tener un error.^[5] Corrigió su postura, pero el episodio muestra que ni el propio autor de la teoría estuvo siempre convencido de que lo que sus ecuaciones sugerían fuera real y, sobre todo, medible algún día. La detección de 2015 no fue la confirmación de una certeza continua de un siglo, sino el final de una cacería llena de dudas, errores corregidos y de una tecnología que, durante décadas, pareció imposible de construir.