Nuevas ventanas al universo

2018/09/01 Etxebeste Aduriz, Egoitz - Elhuyar Zientzia Iturria: Elhuyar aldizkaria

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“Señores, hemos detectado ondas gravitatorias. ¡Lo hemos hecho!”, anunció el director ejecutivo de LIGO, David Reitze, en febrero de 2016, la rueda de prensa para comunicar el descubrimiento. “Hemos necesitado meses para saber que realmente eran ondas gravitatorias, pero lo más emocionante es ahora mismo. Estamos abriendo una ventana al universo”.

Se refiere a la ventana más importante que se ha abierto en los últimos años. “Conceptualmente es una ventana completamente nueva —afirma el astrofísico de ESO, Miguel Querejeta—, entre otras cosas porque comprobó que fuera del espectro electromagnético es posible investigar la astronomía”.

Por primera vez consiguieron detectar las ondas gravitatorias en el observatorio LIGO (Estados Unidos). Las ondas anunciadas por Einstein cien años antes fueron medidas en directo por primera vez. No era poco afirmar la teoría de Einstein, pero ese descubrimiento fue mucho más. “Tecnológicamente ha sido un logro enorme —subraya el cosmólogo de la UPV-EHU Jon Urrestilla Urizabal— que mide [deformación producida por las ondas gravitatorias en los brazos del interferómetro] 10.000 veces menor que un protón. Y cuando medimos algo tan pequeño, estamos midiendo la danza que realizan dos agujeros negros muy alejados al fusionarse”.

Ese fue el primer espectáculo que se vio desde aquella ventana: el choque entre dos agujeros negros. “Se pensaba que los primeros que se iban a ver serían estrellas de neutrones. Creíamos que había muchas más estrellas de neutrones que agujeros negros, y las cuatro primeras detecciones fueron las más negras”, explica Urrestilla. “Además, se midieron masas de estos agujeros negros que no eran típicas. Por lo tanto, ahora tenemos que pensar por qué hay más agujeros negros de los que pensamos y cómo se crean esos agujeros negros”.

Mirando por varias ventanas

El 17 de agosto de 2017 llegó el turno de las estrellas de neutrones. Se trata de la quinta vez que se detectaban ondas gravitatorias y se detectaron en LIGO y en VIRGO (Italia), de reciente puesta en marcha. Además, desde otras ventanas se pudo observar el choque de estrellas de neutrones. A los 1,7 segundos de la llegada de las ondas gravitatorias llegaron los rayos gamma, seguidos de los rayos X, ultravioletas, ópticos, infrarrojos y ondas de radio. “Esto fue impresionante —destaca Urrestilla—, llegando a nosotros las ondas gravitatorias y electromagnéticas procedentes del mismo proceso que vimos por primera vez”.

Esta observación volvió a dar la razón a Einstein. Y es que hay teorías que proponen cambiar la teoría de Einstein, teorías f(R), para intentar explicar la energía y la materia oscura, entre otras. Muchas de estas teorías predicen que las ondas gravitatorias y la luz son velocidades diferentes. Según Einstein son iguales. Pues aquella observación demostró que Einstein tenía razón. “Por lo tanto, esas teorías f(R) no sirven; ha quedado claro que la vía para entender la materia y la energía oscura no es esa”, explica Urrestilla.

Por otro lado, “para entender lo que ocurre en un choque de estrellas de neutrones, además de las teorías de Einstein, es necesaria una física de alta energía”, ha añadido el cosmólogo. Y en este caso también se ha cumplido lo previsto: “Los simulacros decían que al producirse un choque entre dos estrellas de alta densidad, se tardaría un tiempo en sacar los rayos gamma, y precisamente con la diferencia de tiempo prevista llegaron las ondas gravitatorias y los rayos gamma. Las ondas gravitatorias han dado la razón a Einstein y a la física de alta energía”.

Querejeta coincide plenamente con la importancia de esta observación, destacando dos resultados importantes que ha dado: “Por un lado, las explosiones de rayos gamma eran un misterio, no sabíamos qué fenómenos físicos producían, especialmente las pequeñas explosiones de rayos gamma. Y esto confirma que produce colisiones de dos estrellas de neutrones. Por otro lado, pensábamos que el proceso de síntesis de ciertos elementos pesados (proceso R) se producía en supernodos, pero esto ha demostrado que la mayor parte se da en el choque de estrellas de neutrones”.

Las primeras miradas desde la ventana de ondas gravitatorias han dado resultados importantes, pero casi todo puede estar por descubrir. También habrá que aprender cómo mirar desde esta ventana. “No sabemos qué podemos encontrar —dice Querejeta—, podemos esperar que no sea esperable”. Así lo cree también Urrestilla: “seguro que veremos cosas nuevas que no imaginamos”.

Mejorando las ventanas existentes

La de las ondas gravitatorias no es la única ventana que nos mostrará cosas nuevas. Por ejemplo, la ventana preferida de Querejeta es ALMA: “Desde que empecé en astronomía he trabajado con las ondas de radio, y en ese sentido ALMA es una ventana única. Ahora mismo estoy trabajando con los datos tomados por EUSKALTEL y son datos realmente excelentes”.

ALMA, situada en el desierto de Atacama (Chile) a 5.000 metros de altura, es un radiotelescopio de 66 antenas. Empezó en 2011 con unas pocas antenas, pero hace un par de años pusieron en marcha toda la gama de antenas. Antes del ALMA, el mayor telescopio que operaba en estas longitudes de onda era el NOEMA (Plateau de Bure, Francia), con 7 antenas. “Hay mucha diferencia —dice Querejeta—, tiene mucha más precisión y podemos analizar objetos mucho más lejanos”.

Detecta el gas y el polvo. Por un lado, puede detectar galaxias y quasares muy alejados y, por otro, analizar con gran precisión los discos protoplanarios o las nebulosas en las que nacen las estrellas. “El proceso de nacimiento de las estrellas es una de las preguntas más importantes sin respuesta en astrofísica”, recuerda Querejeta. “De ahí esperamos resultados importantes. Ya ha dado algunos, por ejemplo, ha detectado directamente el disco de acrecición que rodea a una estrella y los planetas que allí se están creando”.

En el campo de las ondas de radio hay otra ventana muy espectacular. En el sureste de China, el verano de 2016 finalizó el radiotelescopio FAST, la antena parabólica más grande del mundo. Tiene un diámetro de 500 m y una altura de 140 m. Para evitar interferencias, 9.000 habitantes de la zona tuvieron que irse. En este caso, sin embargo, es posible que la propia ventana sea más visible que la que se verá desde allí. Así lo cree Querejeta: “FAST es superlativo, ya que es más grande que el monstruo de Arecibo [tiene 300 m el de Arecibo]. Puede ser de ayuda, pero me parece difícil que de ahí haya grandes revoluciones. En definitiva, el interferómetro VLA, por ejemplo, consigue mayor precisión en las mismas longitudes de onda”.

De una ventana mucho más pequeña y sencilla, el pasado mes de febrero se obtuvo un resultado espectacular en el proyecto EDGES. Con un radiotelescopio del tamaño de una mesa de café instalada en el desierto australiano consiguieron recibir la señal de las primeras estrellas. A 180 millones de años de Big Bang, señal cedida por los átomos de hidrógeno, demostró que las primeras estrellas se creaban para esa época y que el universo era mucho más frío de lo esperado. “Es una idea ingeniosa y han conseguido un resultado realmente bonito”, dice Querejeta.

Abiertas

Otra de las ventanas que Querejeta ha construido pero que falta por colocar en su lugar es: “El Telescopio Espacial James Webb (JWST) es el último tesoro de la NASA”. Aunque este año iba a estar en marcha, el lanzamiento se ha retrasado, pero todo está listo. “Seguro que desde el momento de su lanzamiento empezará a realizar interesantes observaciones”. Trabaja en el infrarrojo con una gran capacidad de detección. Por un lado, se trata de analizar el nacimiento de las estrellas y los planetas, ya que las nebulosas y los discos protoplanarios están llenos de polvo, y el polvo al calentarse emite la mayor parte de la energía en las ondas infrarrojas. Por otro lado, la luz visible y ultravioleta emitida por galaxias muy alejadas nos llega en el infrarrojo (por efecto Doppler), lo que permitirá ver el universo joven. “Se podrán ver galaxias creadas cuando el universo tenía unos mil millones de años”, explica Querejeta.

Y entre las ventanas en construcción hay otras dos destacadas, según Querejeta: “Por un lado, el interferómetro SKA, capaz de ver el gas atómico, y por otro, el ELT, que trabajará en onda visible, cuatro veces más grande que el telescopio más grande de este tipo actual”.

Urrestilla sueña con otra ventana que todavía falta mucho por construir, LISA. El interferómetro LISA es un proyecto de la ESA y la NASA que, al igual que LIGO y VIRGO, detectaría ondas gravitatorias pero en otra frecuencia. De hecho, al igual que en las ondas electromagnéticas tenemos ultravioleta, visible, infrarrojo, etc., las ondas gravitatorias también son frecuentes. Los interferómetros que tenemos ahora sólo pueden detectar unas ondas gravitatorias con sus brazos de tres o cuatro kilómetros.

LISA estaría formada por tres naves espaciales discoidales que se colocarían en el espacio. Los tres discos, formando un triángulo equilátero, se situarían a 2,5 millones de kilómetros entre sí, y mediante el envío de rayos láser se medirían esta distancia con gran precisión, detectando el cambio producido por las ondas gravitatorias. Es un gran reto tecnológico. “Es difícil, pero el experimento avanza —explica Urrestilla—, ya la ESA ha puesto en órbita uno de esos discos, LISA Pathfinder, para probar la tecnología. Y dentro de 20-30 años se espera que LISA esté en órbita”.

Mirando cada vez más lejos

LISA detectaría las ondas gravitatorias generadas en la inflación. “Sería una ventana inmensa para la cosmología porque veríamos cómo era el universo inicial”, subraya Urrestilla.

Sólo se puede ver tan lejos de la ventana de ondas gravitatorias. De hecho, el universo al principio estaba libre de todos los electrones y fotones, chocando constantemente entre sí. En esta situación, los fotones podían hacer un camino muy corto, por lo que no es posible que los fotones de aquella época (ondas electromagnéticas) llegaran a nosotros. Sin embargo, cuando el universo tenía cerca de 300.000 años, los electrones quedaron atrapados en los átomos, y entonces los fotones salieron rectos. Detectamos los fotones de la época como radiación microondas de fondo. No podemos ver los fotones anteriores pero sí las ondas gravitatorias.

Y entre ellos están los neutrinos. Como los fotones, al principio los neutrinos tampoco podían escapar, pero llega un momento en el que los neutrinos empiezan a escapar, y eso es lo que ocurre mucho antes que los fotones. “La ventana de neutrinos también es muy interesante —dice Urrestilla—, de la misma manera que tenemos la radiación microondas de fondo, habría un fondo de neutrinos, pero mucho antes”.

El problema es que detectar neutrinos es muy difícil porque apenas tienen interacción con la materia. “Esa es la ventaja y la desventaja de los neutrinos”, detalla Urrestilla. La ventaja es que pueden salir directamente de la fuente y viajar durante millones de años de luz sin desviarse, y la desventaja es que tampoco interactúan con nuestros aparatos y por tanto son muy difíciles de detectar.

Sin embargo, aunque rara vez, a veces los neutrinos chocan con algún átomo. Y de ello se aprovechan los vaqueros neutrinos, como el Observatorio IceCube en el Polo Sur. IceCube es una red sumergida en hielo, compuesta por 5.000 sensores de luz y una superficie de un kilómetro cuadrado. Estos sensores detectan la luz que se emite al chocar un neutrino con un átomo de hielo. Detecta muy pocos neutrinos, pero el pasado mes de julio se dieron a conocer algunas observaciones importantes: Algunos neutrinos de gran energía llegados a IceCube lograron saber que procedían de una galaxia situada a 3.700 millones de años-luz. Parece que se ha empezado a abrir una nueva ventana con neutrinos.