"Las lentes gravitacionales y las ondas gravitacionales, que se derivan de la Teoría de la Relatividad General de Einstein, nos permiten ver el universo invisible y abren por su enorme trascendencia una nueva era en la astrofísica y en el conocimiento del cosmos en general", afirmó en la Fundación Cañada Blanch Diego Herranz Muñoz (Cantabria, 1974) dentro del noveno ciclo "ConecTalks" de conferencias de divulgación científica que dirige Vicent Martínez, catedrático de Astronomía y Astrofísica de la Universitat de València. El ciclo, en el que colabora el Institut de Ciències Físico-naturals de la Institució Alfons el Magnànim, forma parte del programa de actividades de la Cátedra de Divulgación de la Ciencia establecida entre la Fundación Cañada Blanch y la Universitat.
Diego Herranz, que disertó sobre "Lentes gravitacionales y ondas gravitacionales, dos predicciones de Einstein con historias muy diferentes", es doctor en Física y actual director del departamento de Física Moderna de la Universidad de Cantabria, en donde imparte docencia sobre física cuántica elemental, astronomía observacional, relatividad general y cosmología. Además, desarrolla su actividad investigadora en el Instituto de Física de Cantabria en los campos de la cosmología y análisis estadístico de señales e imágenes, dentro del grupo de cosmología observacional e instrumentación.
Dos fenómenos hermanos con contraste histórico
A lo largo de su intervención, el astrofísico cántabro calificó las lentes gravitacionales y las ondas gravitacionales como "dos fenómenos hermanos, muy ´fácil´ de detectar el primero y muy difícil el otro, con una trascendencia astrofísica enorme al llegar hasta esa parte del cosmos indetectable a la observación mediante telescopios, y con una historia muy interesante detrás". Desde una perspectiva histórica, presentó algunos de los últimos resultados de estas dos grandes pruebas de la relatividad general de Einstein en astrofísica y astronomía, y resaltó el contraste histórico que supone que las lentes gravitacionales se observaran por primera vez pocos años después de que el físico alemán publicara su teoría, mientras que las ondas gravitacionales se detectaran un siglo después.
El profesor Herranz recordó que la lente gravitacional, -un efecto que se produce cuando la luz procedente de objetos distantes y brillantes se curva alrededor de un objeto masivo como una galaxia situado entre el objeto emisor y el receptor-, fue observada por primera vez en 1919 por el astrofísico británico Arthur Eddington, quien durante un eclipse solar percibió cómo se curvaba la trayectoria de la luz que provenía de estrellas distantes al pasar cerca del Sol, produciéndose un desplazamiento aparente de sus posiciones. La primera detección de la lente gravitatoria podría haberse realizado mucho antes si no hubiera estado por medio la Primera Guerra Mundial y algunos problemas meteorológicos, señaló el investigador.
La superación de importantes desafíos técnicos
Para conseguir, en cambio, la primera detección de las ondas gravitacionales, -una perturbación ondulatoria del espacio-tiempo que se transmite a la velocidad de la luz y que es producida por ciertos tipos de cuerpos masivos acelerados-, lograda en 2015 (aunque no fue anunciada hasta 2016) y premiada éste con el Nobel de Física, "ha sido necesario superar importantes desafíos técnicos hasta conseguir la tecnología precisa, así como la colaboración de miles de investigadores unidos internacionalmente en grandes consorcios", aseveró Herranz.
En el contexto de las lentes gravitacionales, el científico cántabro se refirió a cómo Einstein erró inicialmente en sus cálculos, ya que predijo que se produciría un efecto la mitad de intenso del que se observa, aunque en pocos meses realizó la predicción correcta. Así, advirtió que para contemplar realmente el efecto de lente gravitacional se requiere de una gran masa, como por ejemplo el Sol que, al pasar por delante de un objeto lejano como pueda ser una estrella lejana, la realidad produce que se modifique la posición aparente de este objeto y se pueda medir la masa del objeto que en este caso sería el Sol, que es quien está produciendo dicho efecto.
El problema de este tipo de detección, indicó Diego Herranz, es que la excesiva luminosidad del Sol impide observar la estrella, por lo que hay que esperar a que se produzca un eclipse, momento en el que se puede medir la posición de las estrellas que haya detrás del disco solar. Para lograr, por tanto, la primera detección se hizo necesario esperar a que se produjera un eclipse adecuado y trasladar un telescopio al lugar adecuado, dos condiciones que la guerra europea impidió que se conjuntaran por las dificultades de atravesar las zonas en conflicto. Terminado el enfrentamiento bélico, la detección pudo realizarse tras perderse varias oportunidades a causa de las malas condiciones climatológicas
Los primeros indicios de la existencia de la materia oscura
"Lo importante del efecto de las lentes gravitacionales es que, aparte de ser una prueba de la relatividad general que nos permite medir masas de objetos que no brillan y que de otra forma sería imposible calcular, se convierte en uno de los primeros y más importantes indicios de que existe la materia oscura, que constituye algo más de un 20% del contenido del universo", destacó.
Diego Herranz explicó más adelante cómo se puede pesar un objeto astronómico, es decir, cómo inferir la masa de una galaxia, que se encuentra fuera de los instrumentos de medida directos, a través del efecto de lente gravitatoria, para lo que se apoyó en imágenes espectaculares captados por el telescopio espacial Hubble. "La luz atraviesa el espacio, el espacio-tiempo está deformado por la masa que hay en el camino que está siguiendo ese rayo de luz, que se dobla como si fuese exactamente igual que una lente, y midiendo cuánto se dobla ese rayo de luz podemos saber cuánto pesa el objeto que ha causado la deformación del espacio-tiempo", expuso.
"En este caso -añadió Herranz- podría ser el Sol, que fue históricamente la primera prueba que se realizó, o lo que se hace hoy en día, que es pesar galaxias y cúmulos de galaxias, que nos indica que por cada gramo de materia luminosa que podemos observar, deben de existir entre ocho y diez gramos de materia oscura, que no interacciona con la luz nada más que a través de la gravedad".
Contracciones del espacio del espesor del cabello humano
Al abordar las ondas gravitacionales, también predichas por Einstein y para cuya medición se requiere "una tecnología con una precisión increíble porque son enormemente pequeñas y de una intensidad bajísima", Herranz puso el ejemplo de una onda como la detectada por el experimento LIGO -siglas en inglés del Observatorio de Ondas Gravitacionales con Interferómetro Láser- sobre el que ha recaído este año el Nobel de Física. "La onda gravitacional detectada por LIGO -observó- produce contracciones del espacio tan pequeñas como el espesor de un cabello humano si lo comparamos con la distancia entre el Sol y la estrella más cercana, que está a tres años luz de distancia". "Es como comparar el grosor de un cabello, menor que un milímetro, con tres años luz de distancia, lo que supone un orden de magnitud de un cero seguido de veinte ceros", afirmó Herranz.
Para localizar ondas gravitacionales "ha habido que desarrollar detectores que usan interferometría láser de alta precisión, enterrarlos, aislarlos de toda clase de vibraciones, dedicar mucho tiempo y tener mucha suerte, porque su detección es enormemente difícil", expuso el científico, tras abordar cómo eran los primeros detectores desarrollados en los años setenta del pasado siglo basados en una tecnología ya obsoleta formada por una barra de resonancia.
La relevancia teórica y práctica de la detección de las ondas
Al explicar detalladamente el funcionamiento de LIGO, con el que "tras muchos esfuerzos e inversión de tiempo, dinero y capital humano al final se ha conseguido localizar este tipo de ondas", Herranz reconoció que "por el momento solo somos capaces de detectar ondas gravitatorias producidas en sucesos enormemente titánicos, como cuando chocan cuerpos celestes de varias docenas de masas solares, de ahí que solamente se hayan observado cuatro colisiones de este tipo, tres de agujeros negros y una de estrellas de neutrones".
El astrofísico cántabro destacó, por una parte, la relevancia teórica de la detección de las ondas gravitacionales, "al confirmar que Einstein estaba en lo cierto y la relatividad general funciona" y, por otra, la relevancia práctica para la astronomía, una ciencia muy limitada por cuanto los telescopios solo pueden observar objetos luminosos o que no esté tapados por otros. En este sentido, indicó que tanto las lentes como las ondas gravitacionales "han abierto una ventana nueva de observación que nos permite ver cosas que no emiten luz ni la absorben o cosas que está tapadas".
Así, puso como ejemplo los agujeros negros, que no emiten luz, "aunque gracias al efecto de una onda gravitacional podemos detectar un choque entre dos de ellos, conocer su masa o la distancia a la que se encontraban, lo que nos ha permitido confirmar la existencia de agujeros negros que tienen del orden de veinte o treinta masas solares, algo que anteriormente se postulaba pero sin que se hubiera obtenido ningún tipo de observación directa", concluyó Diego Herranz.
