Einstein contra Einstein: Así es el telescopio que podría reescribir la gravedad

Lleva un nombre de mucho peso, Einstein. Pero lo merece todo. Una vez completado, el telescopio será el mayor detector de ondas gravitacionales jamás construido, dotado de una sensibilidad mucho mayor que sus predecesores y potencialmente capaz de ayudarnos a buscar las respuestas a las grandes preguntas sin respuesta de la cosmología y la física, incluida la existencia (y la naturaleza) de la materia y energía oscura, la conciliación de la relatividad general y la mecánica cuántica, y el destino mismo del Universo. Aún no sabemos dónde se elevará, pero estamos impacientes por encenderlo. Como nos dijo Michele Maggiore, profesor de la Universidad de Ginebra, copresidente del Observational Science Board y miembro del Consejo Ejecutivo del Telescopio Einstein, quien coordinó la redacción del “manual científico”: si los grandes detectores como LIGO y Virgo «nos han permitido descubrir un nuevo continente [el de las ondas gravitacionales, en realidad], el Telescopio Einstein nos permitirá explorarlo. Y paradójicamente, dado su nombre, podría ayudarnos a descubrir que, a escalas cosmológicas, la teoría de Einstein tiene que ser corregida «, explica Maggiore, invitado recientemente al Festival Malnisio de la Ciencia.

¿Qué son las ondas gravitacionales?

Para comprender el alcance de las posibilidades del telescopio Einstein, primero hay que mirar al pasado. Durante muchos años, entidades como los agujeros negros y las ondas gravitacionales no eran más que hipótesis matemáticas, «fantasmas» nacidos directamente de las ecuaciones de la relatividad general de Albert Einstein. Después, en la década de 1980, algunas observaciones demostraron indirectamente su existencia; en 2015, por fin, las antenas de los interferómetros LIGO y Virgo parpadearon y los fantasmas se hicieron oficialmente reales, sentando las bases para el nacimiento de la astronomía gravitacional. Pero, ¿de qué se trata? Las ondas gravitacionales son una perturbación del espacio-tiempo que se origina como resultado de la aceleración de uno o más cuerpos con masa (dos agujeros negros o dos estrellas giratorias, por ejemplo) y que se propaga a la velocidad de la luz, modificando localmente la geometría del propio espacio-tiempo. La razón por la que se ha tardado tanto en observar directamente las ondas gravitacionales es que su efecto «visible» es extremadamente débil y, por tanto, casi siempre queda «oculto» por otras perturbaciones externas. Para revelarlas, es necesario utilizar instrumentos de medida extremadamente sofisticados (interferómetros, para ser precisos), capaces de medir la discrepancia temporal en el camino recorrido por dos ondas luminosas. Se trata, en concreto, de estructuras compuestas por dos brazos de igual longitud, uno perpendicular al otro, formando una L. Cuando una onda gravitacional choca con el instrumento, la perturbación asociada a ella hace que la luz tarde más tiempo en recorrer un brazo que el otro: en el momento en que los instrumentos registran tal diferencia temporal, suena una alerta por el posible paso de una onda gravitacional. Para dar una idea de lo débiles que son tales perturbaciones, considera que los interferómetros deben ser capaces de detectar una diferencia temporal igual al desplazamiento del diámetro de un cabello sobre una distancia comprendida entre el Sol y Alfa Centauri, es decir, más de cuatro años luz.

Einstein cambiará las reglas del juego

La diferencia entre instrumentos como LIGO y Virgo y el telescopio Einstein no es solamente una cuestión de «capacidad técnica»: se trata, de hecho, de un cambio total de paradigma. El instrumento es una especie de «oreja» gigante plantada en la roca, diseñada para escuchar las vibraciones más infinitesimales del espacio-tiempo. Para lograrlo, debe superar límites tecnológicos que hoy parecen de ciencia ficción. El principal reto es el ruido: en la superficie terrestre, todo vibra. El tráfico, el viento, las olas del mar, la sismicidad natural, incluso las fluctuaciones de la densidad del suelo (el llamado ruido newtoniano) bastan para tapar el susurro del Universo. «EL poder del Telescopio Einstein», explica Maggiore, «reside en que amplía la banda de frecuencias accesible hacia las bajas frecuencias: los detectores actuales son «sordos» por debajo de 20 Hz, pero es precisamente ahí donde se esconden las señales más antiguas. Para escucharlas, el telescopio se construirá bajo tierra, a una profundidad de entre 200 y 300 metros, aislado del caos del mundo; en cuanto a su diseño, actualmente se estudian dos posibilidades, una geometría de triángulo equilátero de 10 kilómetros de lado o, alternativamente, dos enormes L separadas, colocadas a gran distancia entre sí (por ejemplo, una en Cerdeña y otra en Holanda o Alemania). En su interior albergará una configuración de xilófono con dos interferómetros, uno de baja frecuencia (entre 3 y 30 Hz), que trabajará a temperaturas criogénicas (20-30 Kelvin) para «silenciar» el ruido térmico de los espejos, y otro de alta frecuencia, que utilizará láseres de muy alta potencia. «Esta dualidad «, prosigue Maggiore, «permite cubrir un espectro imposible para una sola máquina. Al desplazar el límite de los 20 Hz actuales a 3 Hz, la capacidad de alerta precoz del instrumento cambiará rápidamente. Hoy solo vemos la fusión de dos estrellas de neutrones en los últimos instantes. Con el telescopio Einstein, esa señal entraría en la banda del detector hasta 24 horas antes del evento. Esto significa que podemos llamar a nuestros colegas astrónomos con mucha antelación y decirles que apunten sus telescopios a un punto determinado del cielo porque sabemos que allí va a ocurrir algo importante en breve. Pero no solo eso: gracias a estos superpoderes, el Telescopio Einstein podrá recoger muchos más eventos, lo que significa un tesoro de datos de valor incalculable: «Si hoy celebramos cien eventos revelados en años de escucha, el Telescopio Einstein cambiará la escala del juego. En lugar de ver 100 eventos al año, veremos 10⁵, es decir, uno cada pocos minutos: pasaremos a una estadística de precisión, con un gran número de eventos reconstruidos con una exactitud excepcional».

La paradoja: Einstein contra Einstein

Como anticipábamos, hay una sutil ironía en el nombre de la futura máquina europea. El telescopio Einstein, el mayor homenaje experimental al padre de la relatividad general, podría ser, después de todo, el instrumento que demuestre que Einstein estaba equivocado. O, más exactamente, que su teoría no basta para describir el comportamiento de la gravedad a todas las escalas. En el centro del problema está la llamada energía oscura, la misteriosa fuerza que (aparentemente) parece acelerar la expansión del Universo. El modelo estándar de cosmología, la teoría más completa que tenemos por el momento para describir la dinámica cosmológica, la «liquida » incluyendo en las ecuaciones un parámetro llamado constante cosmológica: una solución que a muchos teóricos, incluido Maggiore, les resulta incómoda. «Cada vez que pasas a la gravedad a escalas cosmológicas, algo no cuadra. Quizá lo que llamamos energía oscura, y que aún no podemos entender, sea en realidad una manifestación del hecho de que las ecuaciones de Einstein no son las correctas a escala cosmológica». Maggiore, en particular, trabaja en teorías de la gravedad no local, que introducen una especie de «memoria» en la estructura del espacio-tiempo. También en este caso, el Telescopio Einstein podría resultar crucial: en la relatividad general, la amplitud de una onda gravitatoria disminuye inversamente con la distancia, pero si la gravedad estuviera realmente ‘modificada’, las ondas podrían desvanecerse de forma diferente a medida que viajan durante miles de millones de años. «El instrumento podrá comparar la distancia medida con las ondas gravitacionales y la medida con la luz [gracias a las llamadas sirenas estándar]: si fueran diferentes, significaría que la teoría utilizada no es la correcta», continúa Maggiore.

El Universo antes de las estrellas

Para someter a Einstein a una prueba tan severa tendremos que mirar muy lejos en el espacio y en el tiempo. El telescopio Einstein será lo suficientemente sensible como para ver «todo» el Universo observable para determinadas fuentes, remontándose en el tiempo hasta las edades oscuras cósmicas. «Iremos a épocas anteriores al nacimiento de las primeras estrellas», explica el científico. ¿Y qué hay que ver en el Universo oscuro? » Agujeros negros primordiales. Si se encuentra un agujero negro tan antiguo, significa que es un objeto creado en las fluctuaciones de densidad inmediatamente posteriores al Big Bang; descubrir tales objetos significaría no solo reescribir la historia de la astrofísica, sino explorar los primeros momentos de vida del Universo de una forma nunca intentada y nunca posible hasta ahora.»

¿Dónde, cómo y cuándo llegará el Telescopio Einstein?

Si la «ciencia» del instrumento está ya casi definida (y recogida en el Libro Azul del que Maggiore es coordinador), no puede decirse lo mismo de la forma y la ubicación de la máquina, cuestiones en el centro de una partida de ajedrez geopolítico que deberán decidirse antes de 2027. Hay tres opciones sobre la mesa: la mina de Sos Enattos, en Cerdeña, la Euregio Mosa-Rin, en la frontera entre Holanda, Bélgica y Alemania, y Lusatia, en Alemania. Cerdeña «, según Maggiore, «es la mejor candidata desde el punto de vista sísmico y antrópico. Su ‘silencio’ es un recurso natural único en Europa, fundamental para esa baja frecuencia que es el corazón del Telescopio Einstein’. Y luego está el debate sobre la forma: ¿es mejor un único triángulo o dos detectores en forma de L, quizá en dos emplazamientos diferentes? «De nuevo, las pruebas nos dicen que las dos ‘L’ son una mejor opción. Localizas mejor la dirección de la fuente, porque triangulas mejor la señal». Italia, de momento, ha dicho que está dispuesta a acoger el triángulo o a formar parte de una red de 2L, pero aún no se ha tomado la decisión definitiva. Si todo va según lo previsto, dentro de quince años la máquina estará por fin terminada y empezará a proporcionarnos los primeros datos. Lo esperamos con impaciencia.

Artículo originalmente publicado en WIRED Italia. Adaptado por Mauricio Serfatty Godoy.