Hace mil 300 millones de años, cuando en nuestro planeta sólo había agua y los organismos unicelulares evolucionaban a seres multicelulares y únicamente existía un supercontinente conocido hoy como Rodinia, en un lejano lugar en dirección a la nube de Magallanes, un par de agujeros negros se fusionaron para formar un solo objeto compacto  de 62 masas solares.

Durante miles de años habían estado girando uno alrededor del otro en órbitas cada vez más cercanas, hasta que estuvieron tan cerca que la colisión fue inevitable; el choque y fusión duró unos milisegundos, expeliéndose una gran cantidad de energía (el equivalente a unas tres masas solares). Esta energía empezó a viajar a la velocidad de la luz en forma de vibraciones u oscilaciones del espacio-tiempo, es decir, en forma de ondas gravitacionales.

Mil 300 millones de años luz después llegaron a la Tierra. El 14 de septiembre de 2015 fueron detectadas con una diferencia de milisegundos por los dos detectores de ondas gravitacionales localizados en Estados Unidos, uno en Washington y el otro en Luisiana; tres mil kilómetros separan a estos detectores, por lo que la señal llegó con una diferencia de 7 milisegundos al segundo detector.

¿Por qué no se habían detectado antes las ondas gravitacionales? No se tenían los aparatos para identificar una señal de una parte en mil trillones, que es como detectar una diferencia en longitud de una milésima del diámetro de un protón. Así es, es una medición complicada y para lograrla se trabajó en el detector (interferómetro) por más de 20 años. Esta hazaña fue realizada por la colaboración LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), que incluye alrededor de mil participantes de 20 países, entre físicos teóricos, ingenieros y gente que hace simulaciones de señales. La fase avanzada del detector estuvo lista en septiembre de 2015. Las frecuencias de la onda gravitacional variaron desde los 35 ciclos por segundo y aumentando hasta los 250.

El Premio Nobel de Física 2017 fue otorgado a las tres personas que impulsaron ese proyecto: una mitad para Rainer Weiss y la otra mitad compartida por Barry Barish y Kip Thorne. El primero propuso un diseño del interferómetro en 1972 y en los años siguientes trabajó en la eliminación de señales espurias, como las vibraciones terrestres. En 1975 Weiss invitó a Thorne para que hablara de la parte teórica de las ondas gravitacionales ante un comité de la NASA. Thorne había estado trabajando con sus estudiantes y posdoctorados estimando los detalles de la intensidad y frecuencia de las ondas gravitacionales provenientes de objetos compactos, como estrellas de neutrones.

En 1994, después de que el proyecto del supercolisionador fue cancelado, Barry Barish se unió a la colaboración, convirtiéndose en el líder del proyecto en 1997. Barish supervisó la construcción de las dos instalaciones que inició en 1999, reuniendo los fondos y el capital humano que ahora es conocido como LIGO. De 2002 a 2010 los interferómetros operaron en un LIGO inicial; en esa etapa no hubo detecciones, por lo que se procedió a una fase avanzada, la cual fue terminada en 2015; en las primeras corridas de prueba en septiembre ocurrió la primera detección de ondas gravitacionales, la señal GW150914.

Para tener una idea de qué son las ondas gravitacionales recordemos que se le llama espacio-tiempo al conjunto formado por los puntos del espacio y a cada punto del mismo se le asocia un reloj. El tiempo que mide cada reloj depende del movimiento del observador situado en ese punto del espacio. Pensemos que el espacio-tiempo es la tela o tejido en que ocurre la evolución de la materia, el cual puede arrugarse, estirarse, estrecharse y a eso es a lo que se llama ondas gravitacionales. Recordemos que una onda es una distorsión del medio en que se propaga y una onda gravitacional es una distorsión o arruga del espacio-tiempo que viaja a la velocidad de la luz. Esto es, el espacio-tiempo es como un hule elástico (aunque bastante tieso) que es estirado y comprimido transversalmente a la dirección de la onda.

¿Cómo darnos cuenta que por aquí está pasando una onda gravitacional? Ya que una onda es un movimiento oscilatorio y periódico, entonces podemos imaginarnos el efecto de una onda gravitacional distorsionando el espacio-tiempo al pasar por donde estamos: nos engordaría y achaparraría para después alargarnos y adelgazarnos, y así sucesivamente mientras pase por donde estamos.

Uso del interferómetro para la detección directa

El interferómetro es un arreglo de espejos y masas colocados perpendicularmente. Un láser emite un haz de luz el cual se descompone en dos. Uno de los haces viaja en una dirección (brazo L1) y el otro en la dirección perpendicular (brazo L2). Las longitudes de los brazos son iguales L1 = L2, pero si un tren de ondas gravitacionales incidiera perpendicularmente al plano formado por los dos brazos, el movimiento oscilatorio del espacio-tiempo haría que L1 se estrechara mientras que L2 se alargara, luego L1 se alargaría mientras que L2 se encogería y así sucesivamente mientras pasa la onda.

Como consecuencia de los cambios en las longitudes de los brazos, los haces recorrerán diferentes distancias y al reflejarse en los espejos y luego ser detectados en el fotodiodo, los rayos perpendiculares estarían desfasados, esta es la indicación de que una onda gravitacional ha pasado por ahí. Esencialmente en esto consiste el interferómetro LIGO (Figura); los brazos del interferómetro son túneles al alto vacío de cuatro kilómetros de longitud, y ha sido diseñado para detectar señales en un rango de frecuencias entre 10 y 1000 Hertz, que corresponden a la explosión de supernovas o a radiación proveniente de sistemas binarios. Para confirmar la señal y no confundirla con otros movimientos terrestres se construyeron dos interferómetros iguales, uno está en Hanford, Washington y el otro en Livingstone, Luisiana. Un aparato con esas características no habría sido posible sin el continuado esfuerzo de varias décadas de los galardonados con el Nobel.

En 2010 se puso en marcha la primera fase de LIGO y no se detectó nada. En vez de cancelar el proyecto se avanzó perfeccionando el aparato, esto se dice fácil, pero para continuar un proyecto que falla hay que convencer a mucha gente. El apoyo de la Fundación Nacional para la Ciencia de Estados Unidos ha sido decisivo para el éxito de LIGO, que no hubiera sido posible sin la aportación de los tres ganadores del Nobel de este año: creer con pasión en la ciencia y la tecnología.

Finalmente ¿qué importancia tiene el que se hayan detectado directamente las ondas gravitacionales? Abre una ventana al universo: todas las señales provenientes del espacio detectadas han sido de radiación electromagnética, de diferentes frecuencias (energías), producidas por varios fenómenos, las cuales llegan hasta los detectores después de haber sufrido un sinnúmero de choques con partículas de polvo y gases, por lo cual no traen ni las noticias más frescas, ni inmediatamente después de ser producidas (entendiendo que inmediato es viajar a la velocidad de la luz). En contraste, la radiación gravitacional proviene de la fuente misma, limpiamente, con lo cual, en un futuro en que su detección sea abundante, podremos conocer qué pasa en el centro de las nebulosas de gases en que se origina una estrella o en el centro de las galaxias activas que alojan agujeros negros de millones de masas solares. Estas observaciones darán un impulso a estudios sobre la formación y desarrollo de hoyos negros, sobre la formación de estructura en el universo, la población de estrellas y su dinámica en núcleos de galaxias y tendremos conocimiento sobre otras regiones en que quizá ni sospechamos que exista materia.