Ondas Gravitacionales: Vibraciones en el Tejido Cósmico

¿Qué es una onda?

Una onda es un fenómeno físico de propagación de una perturbación en un medio material o en el vacío. Transporta energía sin transporte neto de materia. Se distinguen varios tipos de ondas según su naturaleza y medio de propagación.

Las ondas mecánicas, como las olas en la superficie del agua o las ondas sísmicas, requieren un medio material (líquido, sólido, gas). Se caracterizan por una amplitud, una longitud de onda \(\lambda\), una frecuencia \(f\) y una velocidad de propagación \(v\), relacionadas por la ecuación fundamental \(v = \lambda f\).

Las ondas electromagnéticas, como la luz visible, las ondas de radio o los rayos X, son oscilaciones acopladas del campo eléctrico y magnético, capaces de propagarse en el vacío a la velocidad de la luz \(c \approx 3 \times 10^8\ \text{m/s}\).

Finalmente, las ondas gravitacionales pertenecen a otra categoría: no son vibraciones de un medio material, sino perturbaciones de la métrica del espacio-tiempo en sí. Se diferencian de las ondas clásicas porque modifican directamente las distancias medidas entre objetos libres.

N.B.: Un fenómeno físico es un evento observable y medible que puede describirse mediante las leyes de la física, como la caída de los cuerpos, la propagación de una onda o la emisión de luz. En el caso de las ondas gravitacionales, se trata de la perturbación del espacio-tiempo en sí, no de una vibración de un medio material.

¿Qué es una onda gravitacional?

Las ondas gravitacionales son ondulaciones del espacio-tiempo (tejido cósmico), predichas en 1916 por Albert Einstein (1879-1955) en el marco de la relatividad general (1915). Se propagan a la velocidad de la luz \((c)\) y resultan de eventos cósmicos extremadamente energéticos, como la fusión de dos agujeros negros o estrellas de neutrones.

Las ondas gravitacionales ofrecen una nueva forma de explorar el Universo. A diferencia de las ondas electromagnéticas (radio, luz visible, rayos X), no son absorbidas por la materia. Esto permite estudiar regiones hasta ahora inaccesibles, como el interior de las supernovas o los primeros segundos después del Big Bang.

Una detección experimental mayor

El 14 de septiembre de 2015, el interferómetro LIGO observó directamente por primera vez una onda gravitacional, resultado de la fusión de dos agujeros negros ubicados a 1.300 millones de años luz. La señal medida correspondía a una variación relativa de longitud \(\Delta L / L \approx 10^{-21}\), equivalente a detectar una deformación menor que el diámetro de un protón en brazos de 4 km.

¿Cómo medir una deformación menor que el diámetro de un protón?

La sensibilidad de los detectores de ondas gravitacionales como LIGO y Virgo se basa en la interferometría láser. El principio es comparar con extrema precisión la longitud de dos brazos perpendiculares de 4 km cada uno, utilizando un haz láser dividido en dos y recombinado después de reflejarse en espejos suspendidos como péndulos, en ultra alto vacío, lo que actúa como un filtro mecánico natural.

Cuando una onda gravitacional atraviesa el instrumento, provoca una variación relativa de longitud \(\Delta L / L \approx 10^{-21}\), o una variación absoluta \(\Delta L \approx 4 \times 10^{-18}\ \text{m}\). Este valor es unas cien veces más pequeño que el diámetro de un protón (\(\sim 10^{-15}\ \text{m}\)).

Para lograr tal precisión, se utilizan varias técnicas:

• Cavidades Fabry–Pérot: los brazos contienen espejos que hacen rebotar el haz cientos de veces, aumentando así la sensibilidad efectiva.
• Suspensiones activas: los espejos están aislados de las vibraciones sísmicas mediante sistemas pendulares y amortiguadores activos.
• Ultra alto vacío: los haces se propagan en tubos mantenidos a \(\sim 10^{-9}\ \text{atm}\), eliminando las perturbaciones del aire.
• Potencia óptica amplificada: se reciclan láseres de varias decenas de vatios para aumentar el número de fotones que miden la interferencia.
• Técnicas cuánticas: el uso de luz comprimida ("squeezed light") reduce el ruido cuántico del vacío, que limita las mediciones a alta frecuencia.

Gracias a estos métodos combinados, los interferómetros alcanzan una precisión sin precedentes, capaz de detectar una variación menor que el diámetro de un protón en una distancia macroscópica de varios kilómetros.

Fuentes: LIGO Scientific Collaboration – GW150914, Virgo Collaboration, LIGO Scientific Collaboration – GW190521.

Controversias sobre la detección de ondas gravitacionales

Aunque la comunidad científica considera actualmente la detección de ondas gravitacionales como un hecho establecido, algunos estudios críticos han planteado dudas, especialmente durante los primeros anuncios. Estos trabajos no cuestionan necesariamente la relatividad general, pero sí la robustez del análisis de datos.

Por ejemplo, en 2016, un equipo independiente (J. Creswell et al., Universidad de Copenhague) publicó un análisis que destacaba correlaciones inesperadas en el ruido de los detectores LIGO. Según sus conclusiones, la señal GW150914, atribuida a una fusión de agujeros negros, podría presentar firmas compatibles con artefactos instrumentales en lugar de una auténtica onda gravitacional.

Estas críticas se centran principalmente en:

• la extrema dificultad de distinguir una señal \(\Delta L / L \sim 10^{-21}\) del ruido instrumental,
• la dependencia de modelos numéricos sofisticados de fusiones binarias,
• la posibilidad de correlaciones inducidas por los sistemas de procesamiento y calibración.

Ante estas objeciones, la colaboración LIGO–Virgo reforzó sus métodos de validación cruzada, publicó análisis detallados y confirmó varios otros eventos independientes (como GW170817, acompañado de una señal electromagnética observada por telescopios). Esta concordancia multimensajero constituye una validación sólida de las detecciones.

Así, aunque persisten algunas voces críticas, la acumulación de observaciones coherentes y diversas hace extremadamente improbable una explicación puramente instrumental de las señales registradas.