Como todo el mundo sabe, vivimos en un Universo de cuatro dimensiones, tres de ellas espaciales y una temporal. Pero eso no quiere decir que sean las únicas que existen o, mejor dicho, las únicas posibles. Los físicos, en efecto, llevan ya décadas recurriendo a toda una serie de “dimensiones extra”, que resultan necesarias para explicar determinados fenómenos cuánticos, o que se manifestaron cuando las condiciones del Universo eran favorables, en los primeros instantes tras el Big Bang. Por desgracia nadie, nunca, ha encontrado aún evidencias experimentales de que alguna de esas dimensiones ocultas esté teniendo algún efecto en nuestra realidad.

Ahora, sin embargo, un equipo de investigadores del Instituto Max Planck de Física Gravitacional en Postdam, ha propuesto una forma para “sacar a la luz” estas dimensiones extra. Y es que, según estos científicos, esas dimensiones deberían ser capaces de causar “ondulaciones” en nuestra realidad, modificándola imperceptiblemente a través de las ondas gravitacionales. O, dicho de otro modo, las ondas gravitacionales podrían contener la “firma” que pruebe la existencia de dimensiones ocultas. Descubrirlas allanaría el camino para resolver algunos de los mayores misterios del Universo.

Comparada con las demás fuerzas fundamentales de la Naturaleza la gravedad es extraordinariamente debil. Y los físicos llevan ya mucho tiempo preguntándose por qué. Una de las razones podría ser que la gravedad, de algún modo, se estuviera “filtrando” en dimensiones adicionales, es decir, más allá de las tres dimensiones espaciales que nosotros experimentamos.

De hecho, algunas de las teorías que trátan de unir gravedad y Mecánica Cuántica, como la teoría de cuerdas, requieren de dimensiones adicionales para funcionar, y exigen además que la gravedad sea capaz de propagarse a través de ellas. Como se sabe, de las cuatro fuerzas fundamentales, solo la gravedad se sigue resistiendo a ser “cuantificada”. Lo cual significa que no existe (o no se ha encontrado hasta ahora) una partícula subatómica que transporte la unidad mínima de gravedad. Las otras tres fuerzas (electromagnetismo y fuerzas nucleares fuerte y débil) tienen cada una una partícula asociada: Fotones, gluones y partículas W y Z. Y todas ellas han sido producidas con éxito en múltiples experimentos de laboratorio. Nadie, sin embargo, ha sido aún capaz de encontrar un “gravitón”.

Por eso, hallar pruebas de la existencia de tales dimensiones exóticas podría ser de gran utilidad para caracterizar la gravedad y encontrar una forma de unir esta esquiva fuerza a la Mecánica Cuántica. No es una tarea sencilla ya que, de existir, esas dimensiones tendrían en el Universo actual unos efectos realmente pequeños. De no ser así, sus consecuencias serían bien visibles en nuestra vida cotidiana.

Las principales bazas para hallar alguna de estas dimensiones ocultas están en los experimentos del LHC, el Gran Colisionador de Hadrones del CERN. Pero hasta ahora no ha habido suerte y nadie ha sido capaz de ver siquiera un leve signo que revele una física que esté más allá de nuestras cuatro dimensiones.

Una nueva esperanza

En los últimos dos años, sin embargo, ha surgido una nueva esperanza: las ondas gravitacionales. Esas pequeñas ondulaciones en el tejido espaciotemporal del Universo, causadas por el movimiento de objetos muy masivos, se descubrieron por primera vez en 2015. Y dado que es muy probable que la gravedad sea capaz de extenderse a través de todas las dimensiones que existen, esas ondas se han convertido en una forma muy prometedora para detectar cualquier dimensión más allá de las que conocemos.

“Si hay dimensiones adicionales en el Universo -afirma Gustavo Lucena Gómez, autor principal del estudio- las ondas gravitacionales pueden propagarse a través de ellas”. Gómez y su colega David Andriot han calculado cómo esas potenciales dimensiones extra podrían estar afectando a las ondas gravitatorias que podemos observar. Y encontraron dos peculiares efectos que nos permitirían “cazarlas”: ondas extra en frecuencias muy altas, y una modificaciónen la forma en que las ondas gravitacionales estiran el espacio.

       También en la Teoría de Cuerdas se habla de dimensiones extra

De hecho, según los investigadores, a medida que las ondas gravitacionales se propagan a través de una dimensión extra, deberían generar una “torre” de ondas gravitatorias extra, con una frecuencia muy alta después de una distribución regular. Por desgracia, los actuales observatorios de ondas gravitacionales no son capaces de detectarlas en frecuencias tan altas como las requeridas, y también la siguiente generación de detectores está enfocada a frecuencias más bajas. Así que aunque estas ondas estén por todas partes, nos sería muy difícil encontrarlas.

El segundo efecto provocado por las dimensiones extra, sin ebargo, sería mucho más sencillo de ver, ya que modificaría las ondas gravitacionales “normales”, las que se detectan actualmente, sin necesidad de añadir señales extra. “Si hay dimensiones adicionales en nuestro Universo -explica Gómez- estirarían y encogerían el espaciotiempo de una forma diferente a como lo hacen las ondas gravitacionales estandar”.

A medida que una onda gravitacional atraviesa el Universo, estira y encoje el espacio de una forma muy específica. Sería como tirar de una banda de goma, que se haría más larga en una dirección y más corta en la otra, para volver a su forma original cuando la soltamos.

Sin embargo, las dimensiones adicionales del Universo harían que el espacio se estirara y se encogiera de forma diferente, algo que los investigadores han llamado “modo respiración”. Igual que los pulmones al respirar, el espacio se expandiría y se contraería a medida que las ondas gravitacionales pasan, además de estirarse y aplastarse como hacen normalmente.

“Con más detectores -afirma Gómez- seremos capaces de ver si este ´modo respiración´está sucediendo realmente”.

Un equipo de físicos teóricos de la universidad suiza de Basilea ha conseguido, por primera vez, calcular las caracteríasticas que debe tener la señal que delate a las ondas gravitacionales primigenias, las emitidas apenas una fracción de segundo después del Big Bang. La fuente de esa señal sería un fenómeno cosmológico perdido en la noche de los tiempos, el “oscilón”. El trabajo se acaba de publicar en Physical Review Letters. Gracias a este estudio, los cientííficos que manejan los detectores de ondas gravitacionales sabrán, por fin, cómo es exactamente la señal que deberán buscar para localizar estas antiquísimas ondas, y podrán así extraer de ellas información directa del instante en que se originó el Universo.

A pesar de que Albert Einstein predijo las ondas gravitacionales hace ya un siglo, su existencia no pudo probarse experimentalmente hasta finales de 2015, cuando los detectores LIGO, en Estados Unidos, lograron captar las ondas producidas durante la fusión de dos lejanos agujeros negros.

Las ondas gravitacionales son completamente diferentes de cualquier otra clase de onda. De hecho, a medida que viajan por el Universo, tienen el efecto de encoger y estirar el mismísimo espacio-tiempo. En otras palabras, distorsionan a su paso la geometría del espacio mismo, de una forma similar a la que lo hace una onda en el agua. A pesar de que cualquier masa acelerada está emitiendo ondas gravitacionales, sólo somos capaces de medir aquellas que proceden de masas extremadamente grandes, como es el caso de los agujeros negros o las supernovas.

Sin embargo, las ondas gravitacionales no solo proporcionan información sobre los eventos más violentos, sino que pueden ofrecernos valiosísimas pistas sobre cómo se formó el Universo mismo. Precisamente para eso, para lograr aprender más sobre las primerísimas etapas de existencia del Universo, el profesor Stefan Antusch y su equipo del Departamento de Física de la Universidad de Basilea han llevado a cabo una exhaustiva investigación sobre lo que se conoce como el “fondo estocástico” de las ondas gravitacionales.

Dicho fondo consiste en una suerte de mezcla de ondas gravitacionales procedentes de un gran número de fuentes distintas. Esas ondas se superponen unas a otras, produciendo un amplio espectro de frecuencias. Lo que hicieron los investigadores fue calcular los rangos de frecuencia y las intensidades de esas ondas, de modo que puedan ser corroboradas por futuros experimentos con detectores.

Poco después del Big Bang, el Universo entero era aún muy pequeño, muy denso y muy caliente. “Imagine algo del tamaño de un balón de fútbol”, explica Antusch. Todo el Universo estaba comprimido en ese espacio tan pequeño, y su interior era extremadamente turbulento. Los cosmólogos creen que, en esa fase tan temprana, todo el Universo estaba dominado por un único tipo de partícula llamada “inflatón”, y su campo asociado. El inflatón (cuya existencia aún no ha sido demostrada experimentalmente) habría sido responsable del periodo de inflación sufrido por el Universo naciente, unos pocos instantes durante los cuales multiplicó su tamaño de forma explosiva, pasando del balón de fútbol a ser apenas mil veces más pequeño que el actual.

Burbujas en el espacio

Los inflatones, según la teoría, sufrieron intensas fluctuaciones con unas características muy especiales. Y formaron grumos o burbujas que oscilaban en regiones muy localizadas del espacio. Dichas regiones se denominan “oscilones”, y pueden imaginarse como ondas estacionarias. “Aunque los oscilones ya han dejado de existir -afirma Antusch- las ondas gravitacionales que emitieron son omnipresentes, y podemos usarlas para mirar más hacia el pasado que nunca”. En efecto, cualquier estudio cosmológico actual se basa en datos extraídos de radiaciones electromagnéticas, y por eso solo es posible llegar hasta unos 300.000 años después del Big Bang, cuando el Universo se hizo transparente a la radiación. Pero gracias a las ondas gravitacionales del Big Bang tendremos, por primera vez, una forma directa de observar lo que pasó casi en el momento mismo de la creación.

Utilizando simulaciones numéricas, los físicos de Basilea fueron capaces de calcular la forma que debería tener la señal de los oscilones, emitida apenas unas fracciones de segundo después del Big Bang. Sobre los gráficos (en la imagen), la señal aparece como un pronunciado pico surgiendo del amplio espectro de las varias ondas gravitacionales. “Antes de nuestros cálculos -explica Antusch- no habíamos pensado que los oscilones pudieran producir una señal tan fuerte en una frecuencia específica. Ahora, el paso siguiente es que los físicos experimentales demuestren la existencia de esa señal usando sus detectores”.

Simulación informática de ondas gravitacionales durante una colisión de dos agujeros negros. Crédito: MPI for Gravitational Physics/W.Benger-Zib.

KIP THORNE, el físico experto en Agujeros Negros que vaticinó el hallazco de las Ondas Gravitacionales y fue también, el impulsor del Programa LIGO para localizarlas.

Reportaje de Prensa

La historia de la primera onda gravitacional detectada por un experimento humano es casi tan antigua como el Universo. Así lo indica un estudio publicado hoy que reconstruye hasta su origen más remoto la señal captada en septiembre de 2015 por el Observatorio de Interferometría Láser de Ondas Gravitacionales (LIGO), uno de los descubrimientos más importantes de esta década.

Hace un siglo, Albert Einstein predijo que, de acuerdo con la teoría de la relatividad, los fenómenos más violentos del cosmos deberían producir intensos estallidos de energía que viajaría a la velocidad de la luz en forma de ondas gravitatorias. Estas ondulaciones curvan el espacio y el tiempo a su paso y se expanden en todas direcciones durante miles de millones de años. Pero detectarlas en la Tierra era imposible. El origen de estos fenómenos está tan lejos y sus señales atraviesan tanto espacio que al llegar al Sistema Solar son imperceptibles incluso con la tecnología más avanzada, pensó el genio alemán.

Ahora sabemos que se equivocó en el detalle y acertó, como siempre, en lo importante. La primera señal de ondas gravitatorias se captó en septiembre de 2015 y fue anunciada en febrero. La produjo la fusión de dos agujeros negros, cada uno unas 30 veces con más masa que el Sol, y sucedió hace unos 1.300 millones de años, cuando todos los terrícolas eran microbios incapaces de entender qué estaba pasando.

El nuevo estudio, publicado hoy en Nature, aclara cómo se formaron esos dos agujeros negros. El trabajo lo firman cuatro científicos expertos en cosmología y relatividad computacional de la Universidad de Chicago y el Instituto de Tecnología de Rochester, ambos en EE UU, y la Universidad de Varsovia, en Polonia. Han creado un modelo informático que reconstruye la historia del universo y permite estimar qué tipo de cuerpos celestes podrían producir una señal como la detectada por LIGO. Para esto han necesitado usar Atlas, el mayor superordenador dedicado al estudio de ondas gravitacionales del mundo, y además algo de tiempo de computación de miles de PCs de ciudadanos interesados por la ciencia a través del proyecto Universe@home.

Los resultados muestran que, para viajar hasta la semilla de la primera onda gravitacional, hay que remontarse a unos 2.000 millones de años después del Big Bang. En aquel universo adolescente se formaron dos estrellas que tenían cada una al menos 40 veces más masa que el Sol y que estaban peligrosamente juntas. Es lo que los astrónomos llaman un sistema binario, dos astros que orbitan el uno en torno al otro y que, con cada vuelta, recortan un poco la distancia que los separa.

Las dos estrellas estaban entre las más brillantes y grandes de todo el Universo, según J. J. Eldridge, físico de la Universidad de Auckland (Nueva Zelanda). El científico razona que, si los cálculos del estudio son correctos, estos dos astros contribuyeron a que el Universo saliese de la llamada Edad oscura, un paso fundamental en la línea de eventos que lleva hasta nosotros pues, de no haberse superado esta etapa no habría estrellas, galaxias ni vida.

Cuatro millones de años después de su nacimiento, un instante en términos cosmológicos, a una de las dos estrellas se le agotó el combustible. Su enorme núcleo se derrumbó sobre sí mismo creando un punto matemático de volumen cero y densidad infinita. Nada, ni siquiera la luz de su estrella compañera ni cualquier otra en todo el Universo era capaz de escapar a su atracción si se acercaba demasiado. Era un agujero negro de unas 30 masas solares. Pasado otro millón de años, su estrella compañera sufrió idéntica metamorfosis.

Ambos monstruos estaban separados por unos 34 millones de kilómetros, bastante menos distancia que un viaje espacial de la Tierra a Marte. Según los cálculos del estudio, la atracción gravitatoria entre ambos fue royendo centímetros a esa separación hasta que, 10.000 millones de años después, acabaron fundiéndose en un violento abrazo. La unión formó un gran agujero negro y liberó en fracciones de segundo toda la energía que cabría en tres estrellas como el Sol. Si alguien hubiese estado cerca, hubiera vivido una letal tormenta donde el espacio se estiró y se contrajo como un chicle y el tiempo osciló de forma caótica entre el pasado y el futuro.

Las ondas gravitacionales producidas por esta fusión siguieron avanzando hasta que, ya reducidas a una vibración menor que la milésima parte del diámetro de un protón, pasados 1.300 millones de años, fueron captadas por los haces de luz láser del experimento LIGO, instalados en Luisiana y Washington, con un pequeñísimo retardo que permitió determinar la región del universo desde la que llegaban. La noticia causó una enorme expectación que alcanzó las portadas de los mejores periódicos del mundo. Einstein era reivindicado una vez más, justo 100 años después de su predicción, y se abría una nueva era para la exploración y comprensión del cosmos. Si no es la mejor historia jamás contada, por lo menos es una de las más largas: 11.700 millones de años de principio a fin.