UN NUEVO SENTIDO PARA ESCUCHAR AL UNIVERSO. XISCO JIMÉNEZ FORTEZA.

Cuando Xisco Jiménez Forteza recibió en el año 2014 la beca de movilidad Max Plank-premio Príncipe de Asturias para viajar al Instituto Albert Einstein de Física Gravitacional, pensar en la posibilidad de participar en la detección de las ondas gravitacionales predichas por la Teoría de la Relatividad General era poco más que un sueño. Aunque el veradero sueño había comenzado años atrás, cuando siendo aún alumno en el Grado de Física en la Universidad de las Islas Baleares tuvo la oportunidad de empezar a trabajar con Alicia Sintes y Sascha Husa en el campo de las ondas gravitacionales en sistemas binarios. Hoy, ese sueño coge forma y tenemos la suerte de contar en nuestro blog con este joven físico español para tratar de hacernos entender la importancia de este hallazgo que se antoja histórico.

 

 

José Antonio Garrido (JAG). Bienvenido a este blog, Xisco. Es un placer tenerle con nosotros. En estos días se ha anunciado a bombo y platillo, y con gran repercusión mediática, la detección, por primera vez en la historia, de las ondas gravitacionales. Pero para entender exactamente qué son estas ondas tendríamos que irnos un poco hacia atrás, al Siglo XVII, cuando Newton enunció la Ley de Gravitación Universal, que establece la relación entre la fuerza de atracción de dos cuerpos y sus masas. ¿Qué supuso la formulación de esta ley en su día? ¿Qué consecuencias tuvo a la hora de entender el mundo?

Xisco Jiménez Forteza (XJF). Una de las metas históricas conceptuales en la ciencia reciente y pasada ha sido el intento de aunar la descripción de todo lo que nos rodea en un mínimo de leyes físicas que expliquen el máximo de los acontecimientos observados. Desde la visión aristotélica del cosmos, esferoidal, geocéntrica, y con una clara diferenciación filosófica entre el “cielo” y la Tierra, había habido ya avances que indicaban que las leyes que se observaban en la Tierra podían ser conjuntadas con el movimiento de los objetos celestes (Copérnico, Kepler, Galileo). Con las leyes de Newton, se uniformizaban elegantemente las leyes del “cielo” y de la Tierra, nos alejábamos definitivamente de la visión esferoidal y geocéntrica del cosmos además de describir con gran precisión las órbitas planetarias. La Luna daba vueltas a la Tierra mientras la Tierra daba vueltas al Sol en órbitas elípticas con una teoría subyacente que lo demostraba, es decir, se daba portazo a las ideas geocéntricas para ponernos en el mismo lugar que cualquiera de los planetas que orbitan al Sol.

JAG. Sin embargo, la Ley de Gravitación Universal presenta algunas limitaciones. Una de estas restricciones la encontramos al intentar aplicar la ley a cuerpos de masa muy alta y que se mueven a velocidades muy altas –cercanas a la velocidad de la luz–. Y es precisamente para salvar esta limitación para lo que se formula una nueva teoría –la Relatividad General, de Albert Einstein, en 1916–, apareciendo con ella, un nuevo concepto, las ondas gravitacionales. ¿Qué son exactamente estas ondas, que acaban de ser detectadas por primera vez? ¿Va a conseguir este hallazgo que cambiemos nuestro modo de entender el mundo, tal y como lo hizo la Ley de Gravitación Universal? ¿Se puede decir que la magnitud de esta detección es de un calibre similar al de la formulación de la ley establecida por Newton?

XJF. En la formulación del Principia Matemathica, Newton ya reflejaba sus dudas respecto a la “acción a distancia” del campo gravitatorio. Su teoría no contemplaba ninguna vía por la que el campo gravitatorio del Sol se pudiera comunicar con los planetas al cambiar éstos su posición: el campo gravitatorio parecía transmitirse instantáneamente. Esto cambiaba con la relatividad de Einstein, el cual encontraba una solución en sus ecuaciones en las que el espacio y el tiempo oscilaban en forma de onda y se propagaban a la velocidad de la luz.  Así pues, estas ondas son oscilaciones del propio tejido del espacio-tiempo pero, ¿qué significa esto? Imaginemos que nuestro espacio es un lago totalmente en calma. Supongamos que todo lo que navega sobre ese lago son embarcaciones ligeras que no producen onda ninguna sobre el lago. Esta sería la visión clásica Newtoniana; el espacio y el tiempo son inmutables y todo suceso transcurre en ese espacio-tiempo sin modificarlo. Sin embargo, imaginemos ahora que sobre ese lago casi inmutable navega un transatlántico. Este transatlántico, al ser tan masivo, perturbará la calma de ese lago y creará olas que harán que todo objeto sobre el lago oscile. De forma análoga, el espacio-tiempo reacciona de la misma manera cuando objetos muy masivos son acelerados. Perturban el medio de transporte (el propio espacio-tiempo) haciendo oscilar los objetos que viven en él por vía de las ondas gravitacionales.

Este descubrimiento nos abre totalmente una ventana nueva de cara a la observación del Universo. Antes teníamos información sobre los objetos que se mueven sobre ese lago llano y en calma a través de la luz que viaja a través de él (estrellas, galaxias, planetas…). Ahora, además, obtendremos información de otros objetos (agujeros negros, estrellas de neutrones, supernovas…) por cómo hacen vibrar a ese lago. Es decir, ahora además de ver el universo podremos sentir o “escuchar” por primera vez cómo vibra.

Desde luego que esta detección se puede equiparar al impacto de la ley de la gravitación de Newton ya que ahora entenderemos qué ocurre en las regiones donde la relatividad es más exigente y donde la teoría de Newton falla. Es un paso más al total entendimiento de la mecánica celeste a la que Newton contribuyó.

JAG. Como decimos, Albert Einstein propuso la existencia de estas ondas gravitacionales hace ahora exactamente cien años. ¿Por qué hemos tenido que esperar tanto tiempo para que los científicos puedan demostrar su existencia? ¿Por qué, precisamente ahora? ¿Qué herramientas lo han posibilitado? ¿Cuál ha sido el papel del consorcio científico LIGO (acrónimo inglés del Observatorio de Interferometría Láser de Ondas Gravitacionales) en este descubrimiento?

XJF. Las ondas gravitacionales son extremadamente débiles. Lo que hemos detectado en la Tierra son las propias oscilaciones del tejido espacio-tiempo generadas en la colisión de dos agujeros negros a unos 1000 millones de años luz. Tal evento, uno de los más catastróficos que pueda haber en el universo, ha generado un frente ondas gravitacionales que solamente han producido una oscilación de una parte entre un millón de millones de millones de miles (cero coma 20 ceros y un uno) al llegar a la Tierra. Estos ínfimos órdenes de magnitud persuadieron al propio Einstein de abandonar su estudio: nunca creyó en que realmente pudieran ser detectadas. Sin embargo, un equipo de “locos”, allá por los años 80, creyó en la posibilidad de detectarlas; en ese momento nacía la idea LIGO. LIGO es un interferómetro en forma de “L” de unos 4 km por brazo en los que una luz láser viaja esperando que una onda gravitacional lo haga “vibrar”. Su desarrollo teórico y tecnológico tardó unos 20 años más para ver su primera etapa de funcionamiento (2002-2010) sin obtenerse ninguna detección ya que la sensibilidad de los instrumentos no era la suficiente, es decir, el ruido instrumental era demasiado grande en comparación a la amplitud característica de las ondas. Sin embargo y gracias a la invaluable ciencia desarrollada durante esta fase inicial del proyecto, el consorcio LIGO iba a pasar a una segunda fase de optimización y mejora de todo el equipo; instrumental, software, teórico etc. Estas mejoras reducirían el ruido (o aumentarían la sensibilidad) y multiplicarían en un factor mil el volumen cubierto por los detectores siendo mucho más elevada la probabilidad de que en todo ese universo un evento (en particular GW150914) sucediera con la suficiente fuerza y en el tiempo justo para ser detectado un 14 de septiembre de 2015.

JAG. El anuncio del descubrimiento se hizo público el día 11 de febrero de 2016, pero viene especulándose al respecto desde el día 25 de septiembre de 2015, en el que el científico Lawrence Krauss publicara un tweet en el que adelantaba que esta gran noticia estaba a punto de publicarse. Y ahora sabemos que el momento exacto en el que se produjo la detección de las ondas gravitacionales tuvo lugar el día 14 de septiembre. ¿Por qué se han esperado cinco meses hasta dar a conocer al mundo los resultados de este ensayo? ¿Había dudas de que el resultado pudiera ser un falso positivo, una inyección artificial? En caso de ser así, ¿sigue quedando alguna duda a día de hoy?

XJF. El papel de todo científico ante tal descubrimiento debe ser el de cautela. Desde LIGO, todos fuimos conscientes de que podíamos estar ante un evento científico histórico, sin embargo, se debía proceder según el estándar que marca la ciencia. En primer lugar, se debía descartar que fuera una inyección artificial generada por los líderes de la propia colaboración. En ese sentido, el conjunto de científicos de LIGO ya tenía experiencia en este tipo de inyecciones “maliciosas”. En 2010 se produjo una de estas inyecciones con el objetivo de testar el funcionamiento de los detectores y de la colaboración en sí misma. Sin embargo, la historia iba a ser diferente en este caso ya que nuestro compañero y “enviado especial” Miquel Oliver, in situ en los observatorios, rápidamente nos confirmaba que aquello no era una inyección artificial: empezaba el emocionante periodo de análisis de los datos. Estos datos, debían ser analizados con la rigurosidad de todo experimento científico y comprobar que dicho evento tenía la significancia estadística requerida para cualquier descubrimiento, es decir, un valor de “sigma” mayor a 5 o, equivalentemente, que la probabilidad de que fuera una onda gravitacional sea mayor al 99.999%. Este análisis nos llevó una serie de meses en los que, además, debíamos escribir los artículos correspondientes de la forma más elegante y accesible para la comunidad científica posible, no queríamos equivocarnos ni en la ciencia ni en su difusión. Hoy en día, estamos bastante seguros de que lo que detectamos fue una onda gravitacional por dos motivos: el valor de “sigma” procedente del estudio estadístico y la magnífica concordancia que este evento tiene con las predicciones de la relatividad general.

JAG. Se ha afirmado que a partir de ahora “empieza una nueva era en la astronomía, la era de las ondas gravitacionales”. ¿A qué hace referencia esta afirmación? ¿Cuáles son los cambios que se van a producir en una ciencia que, aunque sólo sea de modo observacional, lleva miles de años llamando la atención del hombre? ¿Qué va a pasar a partir de ahora? ¿Notaremos los cambios en nuestro día a día?

XJF. El mundo actual, astrofísico y no, evoluciona gracias a la transmisión de la información. Nos comunicamos, vemos y oímos gracias a la luz y sonidos que nos llegan de las fuentes. El que sea una “nueva” era de la astronomía se debe a que ahora somos capaces de captar una hasta ahora desconocida fuente nueva de información, las ondas gravitacionales, es decir, tenemos un nuevo sentido para “escuchar” al universo. Este nuevo medio de información nos dará información esencial sobre los eventos más catastróficos del universo como la coalescencia de binarias de agujeros negros, entre otros. Por otra parte, abrir nuevos sentidos siempre da sorpresas. Se podrían detectar ondas gravitacionales de objetos desconocidos hasta ahora, nutriendo aún más nuestro conocimiento del universo. Y no sólo eso, sino que cada vez que se ha descubierto una nueva franja de emisión del espectro electromagnético, como los rayos X,  no sólo se ha abierto una nueva ventana de observación en el universo (descubriéndose emisiones muy potentes de estrellas masivas, cuásares, etc.) sino que en algunos casos estos descubrimientos de ciencia básica solamente dirigidos a potenciar el conocimiento humano sobre la naturaleza (Röetgen no pensaba en radiografías al descubrir los rayos X) se convierten a veces en aplicaciones cotidianas de vital importancia tales como las radiografías. No sabemos si esto mismo será cierto en el caso de las ondas gravitacionales, lo que sí sabemos es que lo ha sido en multitud de ocasiones pasadas.

JAG. Uno de los grandes retos de la Física Teórica es la formulación de la Teoría Unificada de la Física o Teoría del Todo, que sea capaz de dar respuesta a todos los fenómenos físicos que se puedan producir. ¿Es posible que con el descubrimiento de las ondas gravitacionales estemos más cerca de esta teoría?

XJF. El descubrimiento de las ondas gravitacionales nos proporciona información sobre los eventos más catastróficos del universo. En algunos de estos eventos se combinan ambientes de gravedad extrema (agujeros negros y estrellas de neutrones) y de densidad también extrema. En estos límites la ciencia nos exige mezclar lo que hasta ahora no ha sido posible explicar de una  forma totalmente consistente: teorías cuánticas de campos, que te explican cómo interacciona la materia, y la teoría de la relatividad general, que describe cómo el espacio-tiempo se curva. Es decir, los mencionados eventos emisores de ondas gravitacionales se encuentran en la zona limítrofe donde ambas teorías compiten, así pues, podrían darnos una guía hacia una teoría cuántica de la gravedad que posibilitara la unión de todas las fuerzas de la naturaleza. No obstante, sólo hemos dado el primer paso.

JAG. Como hemos mencionado anteriormente, este gran hallazgo se produjo en el contexto de un consorcio internacional –LIGO– en el que participan más de mil científicos de quince países del mundo. Entre ellos, se encuentra un grupo español –el Grupo de Relatividad y Gravitación de la Universidad de las Islas Baleares–, del que usted es miembro y que dirige la profesora Alicia Sintes. ¿Cuál ha sido el papel del grupo en el ensayo? ¿Hasta dónde llega y hasta dónde podría llegar la aportación de la Ciencia hecha en nuestro país en un proyecto como éste?

XJF. Alicia Sintes lleva más de 19 años en la colaboración LIGO. Desde los inicios, los trabajos relacionados con LIGO de los miembros del Grupo de Relatividad y Gravitación de UIB se han enfocado en el análisis de datos y en la búsqueda de ondas gravitacionales de señal continua provenientes de púlsares en rotación. Con la llegada de Sascha Husa, se iniciaba una línea paralela de investigación: la simulación y modelado de ondas gravitacionales por agujeros negros binarios tales como el evento GW150914. En ese sentido, el grupo ha aportado modelos analíticos teóricos con los que se compara la señal real y se calculan sus parámetros físicos. Entre estos parámetros calculados, en la UIB se ha aportado el dato del pico de la potencia radiada o cuál fue la energía máxima por unidad de tiempo radiada en este evento, en los que ha contribuido también el contratado postdoctoral David Keittel y yo mismo.  Además, ahora se inicia el periodo de análisis de los datos para encontrar púlsares en rotación liderados por la misma Alicia y con la colaboración de Miquel Oliver, Pep Covas y Laura Keittel. El trabajo, por ahora, no para.

En cuanto a los límites de nuestra investigación, esperemos que esto sea sólo el inicio de una era excitante de nuevos descubrimientos y que las instituciones oficiales aumenten el apoyo a la ciencia básica, tanto en el campo de las ondas gravitacionales como en el resto, para que en este tipo de hitos siga apareciendo la participación de nuestro país.

JAG. Al hilo de la anterior pregunta, ¿cómo percibe el papel que juega la Ciencia y los científicos en España? ¿Es pesimista respecto a lo que está por venir, a tenor de los recortes producidos en los últimos años, o, por el contrario, cree que acontecimientos como éste, participados por científicos españoles, auguran un futuro mejor?

XJF. Siendo aún un total inexperto en la burocracia y sin demasiada información sobre la gestión presupuestaria, creo que el nivel de participación científica en nuestro país es excelente si además se tiene en cuenta la precariedad en la que ha vivido el sector en estos últimos años. Como estudiante de doctorado, puedo hablarle de una cantidad razonablemente elevada de compañeros que han tenido que retrasar o iniciar su investigación sin ninguna remuneración debido a retrasos en la formalización de los contratos tipo FPI (formación del personal investigador) y FPU (formación del profesorado universitario), problema que se acrecienta aún más si se tiene en cuenta que estos programas de doctorado tienen un plazo finito para ser presentados y defendidos. También sé de la dificultad que existe hoy en día para establecerse en una universidad como personal fijo. Todo ello conlleva que se dificulte el retorno de magníficos investigadores españoles, formados en el extranjero y cuya contribución en la investigación es notoria. Espero y deseo que España invierta más en I+D siguiendo el ejemplo de las grandes potencias económicas del mundo para que no se debilite la ilusión de los nuevos estudiantes al afrontar un campo tan emocionante y productivo.

JAG. Al igual que ocurrió en el año 2013 con la concesión del Premio Nobel de Física a Peter Higgs y  François Englert, por el descubrimiento del bosón de Higgs, pocos dudan de que este año el galardón irá a parar a los científicos que han dado lugar a la detección de las ondas gravitacionales. ¿Considera usted también que va a ser así? ¿Y qué importancia le concede a los premios de carácter unipersonal en el mundo de la Ciencia?

XJF. La relevancia científica de este descubrimiento está ligada cercanamente con el premio Nobel.  Lo que está claro, es que si no es el año que viene, será en una escala temporal de unos pocos años. Durante todos estos años, el trabajo de la colaboración ha sido magnífico, con personas que han ido, venido y contribuido de todas las formas posibles. No obstante, sí es cierto que todo este trabajo se aguanta sobre los trabajos teóricos y de diseño de un número menor de personas. Por lo tanto, creo que estos primeros ‘soñadores’  merecen de forma especial dicho reconocimiento sin que ello devalúe la magnífica contribución del resto de colaboradores.

JAG. Para finalizar nos gustaría que nos hiciera una recomendación literaria de algún libro –de carácter científico o no– que últimamente le haya dejado un agradable sabor de boca.

XJF. Pues de los libros que he disfrutado más últimamente es el de Soldados de Salamina de Javier Cercas. Aunque de la parte ciéntifica-ficción recomiendo a Isaac Asimov y su serie La fundación.

Muchas gracias por su amabilidad. Ha sido un placer.