La Melodía del Universo

Entrevistamos a Gabriela González

CF: Sabemos que tu trabajo está vinculado con la teoría de la Relatividad General, así que queríamos empezar por preguntarte: ¿qué es lo novedoso que trae esta teoría a la Ciencia, a la Física? ¿Por qué es tan importante?

Gaby: La teoría de la Relatividad Especial, que hizo Einstein en 1905, ya era revolucionaria, porque a partir de principios de electricidad y magnetismo y la velocidad de la luz, postuló que dos eventos simultáneos no siempre lo son para todos los observadores y eso es algo que atenta contra la intuición, porque pasa cuando los “observadores” experimentan velocidades muy, muy altas (parecidas a las de las luz). Pero la teoría de la Relatividad General de 1915 es aún más revolucionaria porque incluye a la gravedad y lo que dice es que en lugar de explicar la gravedad como lo hacía Newton, que dijo que es una fuerza que explicaba, simultáneamente, por qué cae una manzana y el movimiento de los planetas, la teoría de Einstein dice que la gravedad no es una fuerza, sino una distorsión del espacio tiempo producida por las masas. Con una matemática muy complicada, la teoría de la Relatividad General hace las mismas predicciones que Newton, pero más precisas, y además predice cosas nuevas. La que a mí más me importa es que existen ondas gravitacionales, que son ondas de espacio tiempo. La matemática es muy complicada, es uno de los cursos que a mí más me costó, pero la explicación es relativamente simple. Es un matrimonio entre el espacio tiempo y las masas.

CF: ¿Cómo fue aceptando la comunidad científica una teoría tan disruptiva?

Gaby: La teoría de la Relatividad Especial ya fue muy difícil de aceptar. Einstein fue nominado varias veces al premio Nobel y no se lo otorgaban porque había una resistencia a la idea de de que el espacio y el tiempo no son absolutos. Al final le dieron el Nobel pero no por eso, aunque ya existía la Relatividad General en ese momento. Hubo mucha resistencia para aceptar esta teoría, pero a la vez era una teoría que se esperaba porque se sabía que el concepto de que la fuerza de gravedad sea una fuerza instantánea, no podía ser totalmente cierto. Fue Einstein junto con otra gente quienes la construyeron... la matemática ya andaba en el ambiente. Hilbert, por ejemplo, puso los conceptos matemáticos en fórmula, le tomó muchos años, se equivocó en muchas cosas. Todos nos equivocamos, incluso Einstein. La teoría fue aceptada al principio como teoría matemática. Como teoría física se aceptó cuando se comprobó experimentalmente. La primera medición relacionada con la Relatividad General fue ver que la luz de estrellas cercanas al sol se desvían por la gravedad, debido a la masa del Sol.

CF: ¿Eso en qué año fue?

Gaby: En 1919. Es interesante porque Einstein antes de publicar la teoría de la Relatividad General había estado calculando cómo viajaba la luz y cuánto sería el efecto que se podía observar y notó que había un factor dos de diferencia. Antes de 1915 él había publicado artículos con predicciones y teorías incompletas. Hubo intentos de medir la desviación de la luz durante eclipses, donde participaron incluso astrónomos argentinos, que viajaron varias veces a hacer observaciones durante eclipses. El tema es que hay que hacerlas en lugares donde haya un eclipse total y a veces en esos lugares hay mal tiempo y no se puede medir. Eso le pasó a los investigadores argentinos.

Pero si tenemos cualquier par de masas de tamaño similar (como la de dos agujeros negros o dos estrellas de neutrones) girando una alrededor de la otra como la de la Tierra alrededor del Sol, las distorsiones en el espacio tiempo son ondulatorias, porque el movimiento de las masas es ondulatorio. Ese espacio tiempo ondulado son las ondas gravitacionales, que viajan a la velocidad de la luz y se llevan energía porque viajan hacia afuera del sistema. Esto implica que las masas se van a acercar, van a girar cada vez más rápido y se van a fusionar. Si son dos agujeros negros, se fusionan en uno más grande. Si son dos estrellas de neutrones, creemos que se fusionan en un agujero negro pero no lo sabemos todavía. Ese es el origen de las ondas gravitacionales. El problema que Einstein puso en ese primer paper (que también tenía algunos errores) es que cuando se ponen las constantes, como la de Newton asociada a la gravedad y la velocidad de la luz asociada a la teoría relativista, la amplitud de las ondas gravitacionales es pequeñísima, aún cuando las masas en cuestión son muy, muy grandes. El porcentaje de cambio de la distancia entre las masas debido a la onda es pequeñísimo. No es el 1% ni el 1 por millón ni el 1 por trillón. El más grande que medimos hasta ahora, que fue el primero que medimos, es de 1 parte en 10^21 (Nota de edición: 10^21 es un 1 seguido ¡de 21 ceros!). Es como comparar el espesor de un cabello con la distancia entre el sol y la estrella más próxima.

CF: Impresionante. Seguramente Einstein cuando postuló su teoría no se imaginó que podía existir un experimento con la sensibilidad de medir algo así.

Gaby: Claro, él en su artículo puso que dadas las constantes, este efecto es despreciable. Como queriendo decir que nunca se iba a medir.

CF: ¿Y cómo saben que son dos agujeros negros y no un agujero negro y otra cosa muy masiva?

Gaby: En realidad lo que hacemos es comparar con las predicciones de la teoría. Una puede resolver las ecuaciones asumiendo que hay dos agujeros negros. Eso fue un problema importante en lo que se llama relatividad numérica. Las ecuaciones de Einstein no se pueden resolver analíticamente aún para el caso de dos masas. Los agujeros negros son más simples... si pensamos en estrellas de neutrones hay que incluir mucha más física, pero los agujeros negros son nada más que la teoría de la Relatividad General (no hay electromagnetismo, no hay física nuclear, es sólo Relatividad General). Aún así recién en 2005 se hicieron las primeras predicciones de qué tipo de ondas gravitacionales produciría la colisión de dos agujeros negros y fue un problema que se trató durante muchos años. Comparando las mediciones con los modelos que se tienen de cálculos numéricos y aproximaciones, se puede deducir no sólo la masa de los agujeros sino también la distancia a estos eventos. Esto nos dijo que los agujeros negros que medimos tenían alrededor de 30 veces la masa del Sol cada uno, que cuando se fusionaron viajaban a casi la mitad de la velocidad de la luz y que esto había pasado hace más de mil millones de años.

CF: Queríamos ahora hacerte algunas preguntas que tienen que ver con el experimento, con LIGO en sí. ¿Cómo fue la planificación de un experimento tan grande? ¿Qué dificultades hubo en el proceso?

Gaby: Bueno, la historia empezó mucho antes de que yo me mudara a Estados Unidos... ¡en realidad empezó poco después de que yo naciera! Fue en los ‘70, finales de los ‘60, cuando se empezó a pensar en cómo medir ondas gravitacionales. En ese momento había dos tipos de tecnologías: una, que fue la que progresó más rápido en ese momento, usando cilindros de metal que, al pasar una onda gravitacional haría que vibraran y se podía medir esa vibración muy precisamente. En los ‘60 un profesor de la Universidad de Maryland promocionó esta técnica, y es el que reconocemos nosotros como el primer ejemplo de gravedad experimental con ondas gravitacionales. Él tenía dos de estas sondas y publicó artículos en los cuales detectaba coincidencias de vibraciones que parecían decir que estaba detectando ondas gravitacionales. No podía decir exactamente cuándo, porque había mucho ruido, pero lo que sí decía es que había más ruido en coincidencias que en no-coincidencias. Y eso fue… bueno, no salió en los diarios, pero en el ambiente científico fue una revolución. Empezaron a hacer otro montón de barras, barras resonantes se llaman, y nadie vio más nada, ¡nadie vio lo mismo! Él seguía viendo eso pero nadie vio lo mismo... igual ya el campo había nacido.

En los ‘70 se empezaron a hacer prototipos y estudios en el MIT, Rai Wiess fue el que tuvo los estudios y diseños. Convenció a Keith Thorne, un científico de Caltech que era entonces ya muy famoso, por ser una de las personas más jóvenes en ser admitida en la Academia de Ciencias de Estados Unidos, así que tenía una influencia muy grande y él hizo que Caltech contratara a otro físico, Ron Drever, que era experimental (Keith Thorn es teórico) para que se formara otro grupo experimental.

Caltech y MIT, que en general son rivales, colaboraron para trabajar en prototipos, mostrar la tecnología y proponer… Se terminó aprobando en la Agencia Científica de Estados Unidos recién en los ‘90 la construcción de estos dos observatorios que tienen brazos de 4 km de largo. ¡Dos proyectos muy grandes! Francia e Italia también se unieron para construir un observatorio como este en Italia, la Unión Británica y Alemania construyeron uno en Alemania. Es decir, esto no pasaba nada más en Estados Unidos, pasaba en un montón de lugares, y se sabía que iba a tomar décadas. ¡Y tomó décadas!

Como digo se empezaron a construir en los ‘90, se construyó una primera generación instalando tecnologías relativamente más simples, se probó que se podían hacer predicciones de cuán sensibles podían ser los observatorios con la tecnología que se instalaba, se tomaron datos, no se descubrió nada... con lo cuál se puso una cota superior a cuántos agujeros negros y cuántas estrellas de neutrones había. Se construyó una segunda generación, lo que llamamos los detectores avanzados, tanto en Europa como en Estados Unidos y en el 2015… ¡Descubrimos la primera onda gravitacional! Una historia bien larga…

CF: ¡Sí! Un poco ya lo dijiste, pero ¿cómo consiguieron apoyo de las instituciones? Hay que convencer a la gente de que ponga plata en este tipo de experimentos…

Gaby: Sí, en esto se reconoce muchísimo a la Agencia Científica de Estados Unidos, la National Science Fundation, porque apostaron por este proyecto y no lo dejaron caer: sabían que iba a tomar décadas, sabían que iba a necesitar dos fases. Bueno, por supuesto la naturaleza podría habernos sorprendido y haber detectado ondas con la primera fase. La detección de agujeros negros fue una sorpresa, pensábamos que iba a tardar más tiempo porque estábamos apuntando a estrellas de neutrones, que descubrimos en el 2017. Pero la Agencia Científica le puso dinero a esto y además desde Caltech y MIT se contaba con que muchos otros grupos ayudaran. Se hizo una colaboración científica que ahora tiene más de cien instituciones en veinte países, mil trescientas personas entre científicos, ingenieros y estudiantes.

Cuando se creó, en el ‘97, yo estaba empezando como profesora, no dónde estoy ahora en la Universidad de Luisiana, sino en la Universidad de Pensilvania. Éramos unos doscientos miembros en unas veinte o treinta instituciones porque había muchas en Europa. Esa colaboración que había concluído el observatorio en Alemania, la colaboración británico-alemana, se unió a LIGO desde el inicio. Así que desde el principio fue una colaboración internacional. Eso también hizo que hubiera mucho apoyo porque éramos muchos involucrados en esto, no eran nada más que una o dos instituciones.

CF: ¡Juntarse siempre ayuda!

Gaby: ¡Sí! Y además en esencial, ¿no? Esto no se podría haber hecho con Caltech y MIT solamente, ni con diez instituciones solas…

CF: ¡Claro! Entonces en la primera fase no pudieron medir nada, en la segunda fase hay algún proceso de actualización, de mejora de los detectores y ahí prenden el detector y medio que se encuentran con las primeras ondas, ¿no?

Gaby: Sí, ¡nos tomó muy de sorpresa! En realidad veníamos preparando para tomar datos sin tener la sensibilidad deseada (que todavía no la tenemos). Instalamos láseres nuevos, espejos nuevos que están colgados de péndulos cuádruples, de sistemas de aislación sísmica muy sofisticados… Se empezó a instalar todo eso en 2010, se terminó de instalar en el 2014 y ese año, con ayuda de físicos, ingenieros, técnicos, gente con experiencia, gente joven con ideas nuevas, todos trabajando juntos, finalmente se puedo dejar el detector operacional. Ya habíamos hecho planes en el 2012, 2013 de decir “bueno, no vamos a esperar a tener la mejor sensibilidad que esperamos porque eso nos va a tomar años”. Habíamos dicho que en el 2015 si teníamos una sensibilidad tres veces mayor a lo que teníamos antes (queríamos ser diez veces mejores), íbamos a tomar datos, por unos pocos meses, tres meses. Y después trabajaríamos más en mejorar la sensibilidad y tomaríamos datos por seis meses. Habíamos planeado este ciclo para tomar datos pero pensábamos, (de nuevo, las únicas predicciones certeras que teníamos eran de estrellas de neutrones) que no íbamos a detectar nada hasta la segunda o la tercera vez que tomáramos datos. Y cuando estábamos calibrando, estábamos haciendo todavía estudios de calibración y de sensibilidad del detector, una noche en Luisiana y en Washington (donde están los detectores) apareció una señal… Cuando se tomaban datos, cuando estaban los dos detectores prendidos operacionales, se estaban probando los análisis de datos que se hacían con computadora y las computadoras produjeron automáticamente esta página de internet que decía “¡acá hay un candidato!”, “acá hay una señal en coincidencia”. Y cuando miramos la señal, era una señal que se veía lo que nosotros llamamos “a simple vista”. Por ejemplo en un espectro en donde uno pone un color representando la amplitud en función del tiempo y frecuencia se veía, ¡se veía y era la misma en Luisiana y en Washington! Y de las frecuencias podíamos ver que no eran estrellas de neutrones, eran agujeros negros, esos que les decía antes que tienen treinta masas solares. No se sabía que existían los agujeros negros de treinta masas solares. Hay agujeros negros masivos en los centros de las galaxias pero esos ya se forman de otra manera y a esos no somos sensibles porque son demasiado grandes pero estos agujeros negros que habían sido estudiados con astronomía de rayos X los más grandes que se conocían eran menos de 20 masas solares. ¡Y estos tenían los dos más que eso!

CF: Me imagino que empezaron a sonar teléfonos por todos lados…

Gaby: Lo primero que pensó todo el mundo, incluída yo, es que uno de los científicos había inyectado esta señal.

CF: ¿Como que era una broma?

Gaby: ¡Sí! Pero en realidad hacemos esas cosas para testear el interferómetro y la sensibilidad. Es decir, simulamos ondas gravitacionales moviendo los espejos para ver si la vemos como esperamos verla.

CF: Debe ser súper emocionante, ¿no? Porque dedicás toda una vida a algo, ves la construcción de todo el interferómetro y de repente...

Gaby: Bueno, yo te tengo que decir que en ese momento era la líder de esta colaboración y lo que yo tenía era... terror. Terror de que esto no fuera cierto. Bueno, primero de que fuera una broma, eso lo descartamos rápido. Empezamos a ver otras maneras, a lo mejor era alguien que había hackeado el sistema, estudiamos todas esas posibilidades. Como teníamos tan poca experiencia con el detector, teníamos que estar seguros de que esto no fuera un tipo de ruido que hace el detector, que se parece a ondas gravitacionales pero no son, no teníamos la suficiente experiencia como para descartar eso. Este campo de ondas gravitacionales, ya les decía, en los ‘60, en los ‘70 ya había tenido este anuncio de descubrimiento que después no se pudo confirmar. También en el 2013 hubo un anuncio de que se habían descubierto ondas gravitacionales del universo temprano con mediciones del espectro cósmico de microondas y tampoco fueron confirmadas. En efecto, parece que se debía más a polvo interestelar que a otra cosa.

Es decir, teníamos que estar bien, bien, bien seguros, ¡era mi responsabilidad! Guiar a la colaboración de manera de descartar todas las otras razones posibles, hacer la búsqueda de la manera más precisa y menos influenciada. La gente piensa que la física es una ciencia exacta y no hay errores: 2+2 es 4 y no es ni 3 ni 5 pero no es tan así, jaja. En física uno tiene que considerar probabilidades y lo que uno tiene que medir es la probabilidad de que algo sea astrofísico, sea ruido y cómo calcular esa probabilidad es un cálculo que uno diseña, dependiendo del experimento, y al diseñar el cálculo uno está metiendo los prejuicios que nosotros tenemos… Teníamos que estar muy seguros de que este descubrimiento fuera sólido, porque tener otra retracción hubiese sido totalmente desastroso para la financiación de este proyecto.

CF: Qué emocionante debe ser estar en la frontera del conocimiento.

Gaby: El primer descubrimiento para mí fue, por supuesto, emocionante, tremendo, revolucionario a la hora de entender agujeros negros. Ahora tenemos una visión totalmente distinta de la población de agujeros negros (la taxonomía, como se dice). Pero la primera detección de una colisión de estrellas de neutrones (Agosto de 2017) no sólo fue la primera que se midió sino que ocurrió a una distancia, en términos astronómicos, muy cercana: solamente 130 millones de años luz (la primera detección de colisión de agujeros negros había sido a 1300 millones de años luz). Al ser colisión de estrellas de neutrones, debería haber producido ondas electromagnéticas… y apenas 2 segundos después de que nosotros midiéramos la colisión, hubo 2 satélites que detectaron un exceso de rayos gamma (ondas electromagnéticas) proviniendo de una localización consistente con la que nosotros teníamos. Para ese entonces ya éramos tres observatorios midiendo, así que nuestra localización era confiable, entonces dimos alarma a los astrónomos “¡miren allá!” y encontraron un puntito brillante que duró apenas un par de días. Después empezó a emitir en ultravioleta, unos días después en rayos X, en radio… Esto es lo que llamamos una detección con mensajeros múltiples. Fue un tesoro de información para los astrónomos (yo no sé interpretar nada de eso) que les ayuda a decir, por ejemplo, de dónde surgen los elementos pesados de la tabla periódica. Esta medición es evidencia que viene a soportar la teoría de que esos elementos se producen en este tipo de colisiones (los elementos más livianos se producen en las estrellas).

CF: Justo íbamos a preguntarte si había otras formas de detectar estos eventos, y un poco ya lo respondiste, pero nos gustaría que nos cuentes un poco más qué es la astronomía de mensajeros múltiples. ¿Está ahí el futuro de la astrofísica?

Gaby: Es totalmente prometedor, pero en realidad es el presente ya de la astrofísica. En astrofísica y astronomía en general, cuando se estudian efectos transitorios (explosiones o cambios temporarios en alguna radiación) se usan muchos tipos de telescopios para mirar al mismo objeto: rayos X, radio, óptico… para buscar información de qué pasó en ese lugar. Esto es muy común en astronomía: usar muchas longitudes de onda para armar la historia de lo que pasó. Ahora lo que hay es más mensajeros: rayos cósmicos, neutrinos y ondas gravitacionales. Y hay varios sistemas en los que se predice la emisión de todos estos mensajeros, como en el caso de la colisión de estrellas de neutrones. O como en el caso de una supernova, donde se producen ondas gravitacionales, ondas electromagnéticas y neutrinos. Hubo una supernova en 1987 en las Nubes de Magallanes donde se vio la supernova con telescopios ópticos, pero también se detectaron neutrinos. Hay evidencia de coincidencia de emisión de neutrinos con galaxias que emiten rayos X.

CF: Es un desafío tecnológico por muchos frentes.

Gaby: El desafío es hacer instrumentos sensibles que puedan ver estas cosas más lejos. Por ejemplo, las ondas electromagnéticas de supernovas se pueden ver desde muy, muy lejos (son las que se usaron para determinar que el universo se está acelerando), pero las ondas gravitacionales de supernovas sólo las podríamos medir si estuviéramos cerca. Los diferentes instrumentos tienen que ser sensibles a distancias parecidas para poder aprovechar estos mensajeros múltiples.