Ondas gravitacionales y energía oscura: el fin de una era.

El 17 de agosto de 2017 alcanzaron la Tierra los rayos y truenos de una tormenta cósmica a 130 millones de años luz. Dos estrellas de neutrones, cada una de ellas más pesada que nuestro Sol pero lo suficientemente pequeñas como para caber en una ciudad grande, orbitaban una a la otra en una galaxia cercana. En su movimiento emitieron ondas gravitacionales: perturbaciones en el espacio-tiempo que viajan en todas las direcciones, como las olas en un estanque cuando lanzamos una piedra. En el minuto final antes de su colisión las estrellas se movían tan rápido y tan cerca que la señal de ondas gravitacionales se hizo muy intensa, lo suficiente como para que los detectores LIGO y VIRGO las grabasen sin ambigüedad. El espectáculo que siguió fue impresionante: una explosión de restos radioactivos visibles en todas las formas de luz, desde rayos gamma hasta ondas de radio. Este evento, llamado GW170817 por la fecha en que tuvo lugar, fue el primero de su tipo y ha tenido un gran impacto para la física y la astronomía.

Miguel Zuma no pierde la sonrisa aunque se quede sin vacaciones.

Ese día yo estaba disfrutando de unas muy necesarias vacaciones y no estaba preparado para volver al trabajo. Yo no era uno de los 3.500 científicos que siguieron el evento con múltiples instrumentos, pero mis vacaciones se vieron interrumpidas cuando uno de esos astrónomos tuiteó "Nuevo evento de LIGO con señal electromagnética ¡toma ya!". En ese momento supe que las teorías a las que había dedicado los años anteriores estaban a punto de quedar obsoletas. Mis vacaciones, en otras palabras, habían terminado.

El primer evento de ondas gravitacionales se había detectado casi dos años antes, el 14 de septiembre de 2015. En aquella detección el interferómetro láser de ondas gravitatorias (LIGO) registró la fusión de dos agujeros negros muy masivos. Usualmente hablamos de "escuchar" las ondas gravitacionales, ya que comparten algunas características con el sonido. También son tan silenciosas que solo podemos detectar las señales producidas por las fuentes más extremas, como las estrellas de neutrones y los agujeros negros. A diferencia de las estrellas de neutrones, los agujeros negros son tan compactos que ni siquiera la luz escapa de su atracción gravitatoria, lo que evita que sus colisiones liberen señales no gravitacionales, como la luz. Con las primeras detecciones de agujeros negros, pudimos escuchar el trueno de una tormenta distante, pero sin ver ningún rayo.

Las anteriores fusiones de agujeros negros nos dejaron en la oscuridad sobre una pregunta fundamental: ¿a qué velocidad viajan las ondas gravitacionales? La teoría de Einstein nos dice que la gravedad y la luz viajan exactamente a la misma velocidad, pero una verificación experimental requiere observar ambas señales del mismo evento: el rayo y el trueno. La medida de la velocidad de la gravedad requeriría una pareja de estrellas de neutrones, de las cuales podríamos oír la gravedad, ver la luz y comparar la demora entre ambas señales, si la hubiese. Y aunque las estrellas de neutrones son aún más difíciles de detectar que los agujeros negros, el universo es lo suficientemente grande como para que un evento así ocurra tarde o temprano.
 

Gold on Earth Came from Colliding Stars, Astrophysicists Say (Dana Berry / SkyWorks Digital, Inc) from Sci-News.com on Vimeo.

La medición de la velocidad de las ondas gravitacionales iba a tener graves implicaciones para mis líneas de investigación. Mi trabajo en los últimos años se había centrado en la energía oscura, la misteriosa entidad que acelera la expansión del universo y parece contradecir la naturaleza atractiva de la gravedad. Muchos modelos de energía oscura se basan en extensiones de la teoría de Einstein y modifican algunas de sus propiedades. Entre ellos, algunos cambian la velocidad a la que se propagan las ondas gravitacionales, de forma similar a cómo la densidad y temperatura atmosféricas afectan la velocidad del sonido en el aire. Un formalismo que abarca la mayoría de estas teorías fue propuesto en los años setenta por Gregory Horndeski, un matemático que se convirtió en pintor poco después de esta gran obra. Los hallazgos de Horndeski permanecieron en el olvido durante casi 40 años, pero fueron redescubiertos recientemente y empleados para unificar docenas de teorías de la gravedad que habían sido estudiadas independientemente.

Buena parte de mi trabajo en los últimos años fue estudiar cómo evolucionaría el universo bajo las reglas de la gravedad de Horndeski, encontrando muchas diferencias con respecto a la teoría de Einstein, mucho más simple. Algunos de estos efectos son sutiles y difíciles de medir, causando solo pequeñas desviaciones de las propiedades de la gravedad. Sin embargo, dado que las estrellas están literalmente a distancias astronómicas de la Tierra, incluso una desviación del 1% entre la velocidad de la luz y la gravedad daría lugar a un retraso de un millón de años entre las dos señales, lo que magnifica enormemente incluso la desviación más nimia. Las teorías que predicen cualquier desviación importante, incluidos muchos modelos de Energía Oscura, fallarían espectacularmente después de la primera detección simultánea de luz y ondas gravitacionales.

Poco después de anunciarse la primera detección de ondas gravitacionales comencé a preocuparme seriamente: una gran cantidad de mi trabajo habría sido en vano en el momento en que LIGO detectara una fusión de estrellas de neutrones. La perspectiva era aterradora, pero entender la propagación de ondas gravitacionales en las teorías de Horndeski fue un proyecto emocionante para el puesto que estaba a punto de empezar en la Universidad de California en Berkeley. Tres colegas y yo comenzamos a discutir lo que las ondas gravitacionales nos podían decir sobre la energía oscura y la gravedad. Durante la primavera de 2016, estudiamos las ecuaciones de las ondas gravitacionales en las teorías de Horndeski más allá de las simplificaciones que se habían usado en estudios previos. Identificamos las condiciones para cambiar la velocidad de las ondas gravitacionales y usamos estas condiciones para identificar las teorías que se descartarían después de la primera fusión de estrellas de neutrones. Se hizo evidente que las ondas gravitacionales tenían un potencial inmenso para estudiar la energía oscura y estábamos resueltos a explorar a fondo su potencial.

José María Ezquiaga dando una charla.

Uno de mis colaboradores, José María Ezquiaga, ganó una beca para visitar Berkeley en la primavera de 2017. Continuamos refinando nuestra comprensión de las diferentes teorías de la gravedad y cómo usar las ondas gravitacionales para descartarlas o comprobarlas. LIGO había registrado varios eventos de agujeros negros y podía detectar una fusión de estrellas en cualquier momento. A la luz de estos hechos, José María y yo comenzamos a preparar dos artículos. Uno aparecería tan pronto como se detectara una fusión de estrellas de neutrones y presentara las implicaciones para las teorías de la Energía Oscura. El otro, más especulativo, aparecería si LIGO terminaba su ciclo actual con las manos vacías. En aquel artículo preguntaríamos si la no-detección de eventos de estrellas de neutrones podría deberse a que las ondas gravitacionales viajan a una velocidad distinta a la luz. Apostar contra Einstein es un asunto arriesgado, pero queríamos cubrir ambas posibilidades.

Afortunadamente para nosotros, la fusión de estrellas de neutrones ocurrió pronto, solo cinco semanas después de que José María se fuera de Berkeley y apenas dos semanas antes de que LIGO cerrara para una actualización de dos años. El evento GW170817 fue alto y claro, ayudando a que los diferentes telescopios detectaran sin problema las señales electromagnéticas de la explosión posterior. La primera señal que se encontró fue una explosión de rayos gamma, solo 1.7 segundos después del pico de la señal de la onda gravitacional después de un viaje de 130 millones de años. Tal como temíamos, la velocidad de la gravedad y la luz eran las mismas, tal como nos lo dijo Einstein hace 100 años.

Los rumores sobre el evento se extendieron y nos empleamos a fondo para tener todo listo cuando se anunciaran los resultados. Nuestro artículo tenía dos resultados principales: una explicación detallada de cómo la medición reciente descartó un modelo de energía oscura muy popular y una clasificación de las teorías de la gravedad que sobrevivieron al evento. En algún momento, comenzamos a escuchar a otras personas que trabajan en las mismas ideas. Cuando nuestro artículo apareció el día después del anuncio, vimos otro artículo que tenía exactamente el mismo título que el nuestro: "Energía oscura después de GW170817". Ambos teníamos razón, y el evento marcó el final de una era: el conjunto de posibles explicaciones a la energía oscura se redujo considerablemente. Este cambio de paradigma exige nuevas soluciones, volver a nuestras pizarras y  perseguir nuevas ideas.

Miguel Zumalacárregui Pérez, Marie Curie Global Fellow, Universidad de California en Berkeley