Los investigadores, ante las claves del universo

Observar las ondas gravitacionales

Alicia Sintes / Profesora de Física Teórica. Universidad de las Islas Baleares.

La existencia de las ondas gravitacionales fue predicha por Einstein mediante el estudio de fenómenos en el marco de su teoría de gravedad linealizada. En un principio se cuestionó si éstas describían fenómenos físicos reales o simplemente eran efectos de coordenadas, pero ya en la década de los sesenta se comprendió su naturaleza física. Según esta teoría, cualquier masa acelerada de forma no esféricamente simétrica produce un cambio en el campo gravitatorio que se propaga en el universo a la velocidad de la luz. Justamente las ondas gravitacionales son estos cambios en el espacio-tiempo. Pero debido a que la gravedad es la más débil de las cuatro interacciones fundamentales, las ondas gravitacionales son sumamente pequeñas, cosa que ha imposibilitado hasta ahora su observación directa. Se espera que los experimentos Advanced LIGO, que ya están tomando datos (y en un futuro Virgo, KAGRA y la misión espacial eLISA), lograrán con el tiempo los niveles de sensibilidad que nos permitirá "oír" y comprender los fenómenos astrofísicos más energéticos de las profundidades del universo.

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De Einstein a Hawking, una cuestión de conviviencia

José Navarro-Salas / Catedrático de Física Teórica de la Universidad de Valencia y miembro del IFIC.

Cien años después del nacimiento de la Relatividad General de Einstein su convivencia con la Teoría Cuántica continúa siendo problemática. La Relatividad Especial y la Teoría Cuántica se conciliaron en la electrodinámica cuántica. Iniciada por Dirac y desarrollada entre otros por Feynman y Schwinger, constituye la teoría científica con mayor acuerdo experimental. El problema que resolvieron fue la eliminación de los infinitos que la plagaban. B. DeWitt extendió sus métodos a la Relatividad General. Pero pronto comprobó que no había manera de generar una teoría sin infinitos. L. Parker cambió la estrategia y extendió la Teoría Cuántica de Campos a un universo en expansión. Llegó a un descubrimiento sorprendente: la expansión cósmica crea partículas elementales, sobre todo en los primeros instantes del universo. S. Hawking extendió este resultado a los agujeros negros. La nueva estrategia mostraba su potencial. La expansión cósmica también crea perturbaciones de densidad de energía, efecto corroborado en medidas de temperatura del fondo cósmico de microondas. Pero el problema original de la cuantización completa del propio campo gravitatorio continúa abierto.

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La evolución del universo, según la teoría del Big Bang. Foto: NASA

Materia cuántica

Guillermo Mena / Director del Instituto de Estructura de la Materia y del Centro de Física Miguel A. Catalán. CSIC.

La Relatividad General describe la gravedad como un fenómeno geométrico. La materia curva del espacio y el tiempo, y a su vez este marco espacio-temporal determina las trayectorias de la materia. Un reto de la Física es conciliar la Relatividad con los postulados cuánticos desarrollados a partir de Planck. En Teorías de Cuerdas, este reto se aborda con técnicas de Física de Partículas. Los problemas para cuantizar las interacciones locales se superan introduciendo un objeto extendido: la cuerda. Sus excitaciones proporcionan las partículas elementales. Una de estas excitaciones tiene las características de una partícula gravitatoria en un espacio-tiempo plano: el gravitón. En este sentido, Cuerdas contiene la gravedad. Frente a ello, la Gravedad Cuántica de Lazos o Relatividad General Cuántica utiliza un lenguaje geométrico más cercano al de Einstein. Persigue una cuantización de la teoría einsteiniana, sin modificarla. El énfasis se pone en cuantizar la geometría, y sin recurrir a estructuras de fondo sobre las que expandir las interacciones, como sería el espaciotiempo plano. Es esta realidad de áreas, volúmenes y trayectorias geométricas cuantizadas la que permite hacer compatible la gravedad con la Física de Planck.

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El Santo Grial de los físicos

Tomás Ortín / Instituto de Física Teórica UAM / CSIC.

La Teoría de la Gravitación Cuántica es una teoría que creemos que es posible formular y que nos serviría para describir los fenómenos cuánticos en un contexto gravitacional o los fenómenos gravitacionales a escalas cuánticas. Es el ‘Santo Grial' de los físicos teóricos. Lo que creemos saber es que tiene que dar los mismos resultados que la Relatividad General cuando se aplica a los cuerpos del Sistema Solar y a los cuerpos que vemos caer cada día en el campo gravitacional de la Tierra, porque los resultados de la RG son a esas escalas magníficos. Las teorías físicas nuevas superan a las antiguas, pero, aunque sean muy diferentes, han de dar los mismos resultados allí donde aquéllas funcionaban. Hay varias propuestas de Teoría de Gravitación Cuántica. Precisamente la que utiliza más elementos de la RG (la Gravedad Cuántica de Lazos) es la que menos cumple el principio general que he enunciado. La Teoría de Supercuerdas parte de supuestos muy diferentes, pero recupera mejor la RG en los límites adecuados. También tiene sus problemas aunque nos ha dado ideas revolucionarias como la holografía.

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Supercomputadores

José María Ibáñez / Catedrático de Astronomía y Astrofísica de la Universidad de Valencia.

Hace 50 años aproximadamente se obtuvo la primera solución numérica -mediante el uso de ordenadores- de las ecuaciones de Einstein. En 2004-2005 se consigue determinar la estructura del campo gravitatorio generado en la colisión de dos agujeros negros. Tal éxito no habría sido posible sin el desarrollo de algoritmos numéricos precisos, y sofisticados códigos (con decenas de miles de líneas) a ejecutar en los más potentes supercomputadores. Los supercomputadores son sistemas de cálculo que pueden llegar a tener cientos de miles de núcleos de cálculo. Constituyen verdaderos laboratorios virtuales en los que es posible recrear las condiciones en las que tienen lugar los fenómenos astrofísicos y cosmológicos. La Relatividad General es el marco teórico que permite analizar, mediante la simulación numérica en supercomputadores, problemas astrofísicos y cosmológicos tan complejos como, por ejemplo, la colisión de objetos compactos o la formación y evolución de agujeros negros, estrellas de neutrones, supernovas hidrodinámicas, galaxias o grandes estructuras en el Universo.

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Recreación de un Agujero Negro. Foto: Enrique Arilla. Cortesía de Luis Garay

En el centro, los Agujeros Negros

Roberto Emparan / Profesor de Investigación de ICREA . Universidad de Barcelona.

La Teoría General de la Relatividad hace dos predicciones espectaculares: la expansión del Universo y la existencia de agujeros negros. Se suele decir que el mayor error de Einstein fue no haber apreciado la primera de ellas, algo que reconoció cuando la predicción fue verificada por las observaciones de Hubble. Es mucho menos conocido que a Einstein también se le escapó la idea, mucho más sutil, del agujero negro, que no fue entendida hasta la década posterior a su muerte. La Teoría de la Gravedad de Newton predecía la existencia de "estrellas oscuras". Éstas, sin embargo, no serían más que estrellas muy masivas, muy distintas a los agujeros negros de la teoría de Einstein, que están hechos de espacio y tiempo tremendamente distorsionados. Hoy en día, los agujeros negros se consideran los objetos más básicos de la teoría de la gravedad de Einstein y juegan un papel central en cualquier investigación de dicha teoría.

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Sistemas de simulación

Luis J. Garay / Profesor de Física Teórica de la Universidad Complutense de Madrid.

Dada la dificultad experimental de manipular objetos con campos gravitatorios intensos, se ha realizado recientemente un esfuerzo para construir sistemas en el laboratorio que se comporten como agujeros negros, con radiación de Hawking. En estos sistemas, el sonido desempeña el papel de la luz. La teoría se ha desarrollado durante los últimos treinta años y ya se han hecho experimentos en los que se han construido agujeros negros acústicos y se ha observado la diminuta y elusiva radiación de Hawking (en su versión acústica). Otro asunto distinto es simular en el laboratorio la teoría completa de la Relatividad General de Einstein, la propia dinámica del campo gravitatorio (gobernada por las ecuaciones de Einstein) y, de hecho, existen evidencias de que no es posible llevar a cabo dicho proyecto en los materiales conocidos actualmente.