Einstein tenia raó: les ones gravitacionals existeixen!

Avui ens hem llevat veient la imatge de l’Albert Einstein a quasi totes les portades dels diaris, amb el titular “Tenia raó”.

Ahir, dijous 11 de gener de 2016, es va anunciar que la ciència havia detectat, per primer cop, les misterioses i enigmàtiques ones gravitacionals, predites per Einstein fa 100 anys.

De fet, el descobriment que es va anunciar es va produir el 14 de setembre de 2015, en un dels laboratoris més avançats del món, el LIGO, als Estats Units. Durant aquests darrers mesos, els científics han treballat per assegurar que el senyal detectat correspon, sens dubte, al pas d’una ona gravitacional, una tremolor en l’espai-temps.

La teoria de la relativitat general d’Einstein, de la que hem parlat en més d’una ocasió en aquest blog, és sens dubte una de les teories més elegants i amb èxit de tota la història. Abans d’Einstein, no enteníem ben bé què era la gravetat. Sí, el gran Newton havia aconseguit formular-la matemàticament, amb la seva famosíssima equació que tots hem estudiat a l’escola, aquella que diu que dos cossos s’atrauen amb una força directament proporcional al producte de les seves masses i inversament proporcional al quadrat de la distància que els separa. Però la naturalesa de l’atracció gravitatòria seguia sent un misteri. Com se n’assabentava un cos que n’hi havia un altre que l’atreia? Quina corda invisible unia els objectes? Quina molla ens enganxava a terra i ens feia notar la gravetat?

La relativitat general ens dibuixava una gravetat geomètrica. Fàcil d’entendre intuïtivament, i que eliminava aquells dubtes. En una simplificació, si l’espai (temps) fos una gran tela elàstica sobre la que tots els objectes es mouen, qualsevol cos deformaria la tela amb la seva massa, l’enfonsaria una mica. Com més massiu l’objecte, més profunda seria la deformació que provocaria. D’aquesta forma, els demés objectes notarien la gravetat simplement pel fet de caure en els pous, en les deformacions creades a la tela.

En aquesta visió (molt simplificada) de l’espai (temps) i de la gravetat, Einstein va deduir que podrien existir casos extrems, en els que un objecte super-massiu, movent-se a gran velocitat i de forma accelerada, provocaria un tremolor en l’espai (temps). Ho podem visualitzar movent una bola imaginària per la tela elàstica. Al moure-la, el pou, la deformació que el seu pes ha creat, també es mou. I en fer-ho, tota la tela ens tremola.

Aquest tremolor va rebre el nom d’ones gravitacionals, com ones que es propaguen per sobre un llac quan hi tirem una pedra. Les ones gravitacionals es transmetrien per tot l’espai, portant informació sobre el seu origen, sobre l’objecte super-massiu que les va crear,

El propi Einstein, però, va creure que mai podríem detectar-les, degut a la seva extremadament petita magnitud.

Però vet aquí que l’univers ens proporciona un laboratori increïble, amb objectes que serien més propis d’una pel·lícula de ciència ficció. Les estrelles de neutrons i, especialment, els forats negres són els objectes més densos que coneixem. Un forat negre, per exemple, pot concentrar la massa equivalent a varis Sols en un espai de pocs quilòmetres de diàmetre. Segons la nostra física, res pot superar aquesta densitat.

Però la natura ens ha volgut regalar amb escenaris encara més exòtics i extrems: dos forats negres orbitant un al voltant de l’altre. Dos cossos extraordinàriament massius, girant i apropant-se, per acabar fusionant-se en un esdeveniment catastròfic que allibera una immensa quantitat d’energia. Pobre tela! Pobre espai (temps)! Si de debò existien les ones gravitacionals, l’esdeveniment de dos forats negres fusionant-se hauria de provocar-ne d’enormes.

El problema, com sempre, són les distàncies. Afortunadament per nosaltres, les fusions de forats negres no són gens habituals aquí al costat de casa nostra. Si ho fossin simplement no existiríem. Per tant, la qüestió és poder detectar ones gravitacionals que provenen de molt lluny, de galàxies llunyanes. I resulta que, a més distància, més s’afebleixen les ones.

La tecnologia ha hagut d’avançar molt per a permetre el descobriment. El LIGO funciona amb una combinació de làsers que reboten en miralls. La configuració de l’instrument simula una llargada de 1.600 quilòmetres. El pas d’una ona gravitacional hauria de moure suaument l’espai (temps) i, per tant, la distància que recorre el làser quedaria lleugerament afectada. Però, què és el que hem de mesurar? Quina intensitat de tremolor? Quines diferències de distàncies?

Amics meus, la resposta ens deix bocabadats. Les ones gravitacionals creades per la fusió de dos forats negres llunyans provocarien diferències de distàncies equivalents a una mil·lèsima de la mida d’un àtom! Increïble! Com mesurar aquesta diferència? Sembla impossible. Pensem-ho: el xoc de les onades del mar contra la costa a més de 1.000 quilòmetres de distància de l’instrument; el pas dels vehicles per les carreteres del país; les petjades dels vianants a ciutats allunyades; els tremolors constants i imperceptibles de la Terra. Efectes, tots ells, moltíssim més poderosos que el pas d’allò que volem detectar!

La ciència i l’enginyeria han aconseguit, tot i aquestes dificultats, un instrument de mesura magnífic, que discrimina els efectes del pas de les ones gravitacionals de tots els demés efectes, direm de “soroll”. Per a més seguretat, el LIGO consta, en realitat, de dos instruments, separats per milers de quilòmetres, de forma que el senyal del pas de l’ona pugui ser “escoltat” sens dubte pels dos detectors de forma independent.

Durant uns anys, LIGO va funcionar sense detectar res. Estàvem sords? O era que les ones gravitatòries no existien (i Einstein s’havia equivocat)? La resposta més sensata era que encara no disposàvem de la sensibilitat de detecció necessària. Així que LIGO va ser modificat l’any 2015 amb millores extraordinàries que augmentaven, en molt, la seva capacitat de detecció.

I va ser posar-lo de nou en marxa i detectar l’ona. La primera ona gravitatòria detectada per la humanitat. Provinent de la fusió de dos forats negres ubicats a 1.300 milions d’anys llum de distància. Una simple ona, que, com un crit d’agonia, s’ha anat esmorteint amb la distància fins arribar-nos el 14 de setembre. Una fita històrica. I un altre triomf per l’Einstein.

La possibilitat de detectar ones gravitatòries ens obre una nova finestra per a l’estudi de l’univers. Fins fa pocs anys, només teníem la llum visible per veure el passat, per estudiar el cosmos. Després, vàrem aconseguir construir telescopis que ja no observaven en base a la llum visible, sinó que empraven altra llum, radiació electromagnètica que els nostres ulls no veuen, com ara els raigs X, ultraviolats, infrarojos, o les ones de ràdio. Cada forma de llum ens aporta els seus avantatges. Allà on la llum visible queda bloquejada per concentracions de pols còsmic, les ones de ràdio travessen lliurament i ens porten imatges del que s’amaga al darrera.

Però la llum, visible i no visible, té les seves limitacions. Quan l’univers va néixer, com a conseqüència del famós Big Bang, el cosmos era tan calent i dens que la llum rebotava contínuament contra els nuclis d’hidrogen, perdent la informació que aquesta llum ens podria haver portat sobre els moments inicials. En la seva expansió, l’univers es va refredar el suficient com per permetre que, 400.000 anys després del Big Bang, la llum quedés finalment alliberada. Tot i que som capaços de detectar aquesta llum remota, en forma de radiació de microones, és impossible reconstruir, recuperar la informació que els fotons de llum portaven del moment zero.

Les ones gravitacionals ens permetrien estudiar aquest precís moment zero. No afectades per la temperatura o la densitat de matèria, les enormes ones gravitacionals generades per l’esdeveniment més radical i potent de la història, pel naixement de l’univers, estarien encara viatjant en totes direccions, fent tremolar la tela.

http://www.ccma.cat/tv3/alacarta/els-matins/que-son-les-ones-gravitatories-i-com-es-generen/video/5583880/

Encara ens queda molt per poder detectar-les, però. Justament comencem, ara, amb el descobriment de la primera ona, a obrir els ulls. Els instruments hauran de millorar encara més en sensibilitat. Ja hi ha projectes il·lusionants, que posaran detectors separats per milions de quilòmetres, a l’espai, i que ens oferiran informacions de l’univers com mai abans havíem somiat.

Mentre el jurat decideix a qui li donarà el Nobel, amb més de 1.000 científics que han fet possible aquest primer descobriment, l’Einstein ens deu contemplar pacient i afable, fumant la seva pipa, i pensant: “Sí, jo ja ho sabia”.

Vull aprofitar aquest article per agrair a TV3 i a tot l’equip del programa de Els Matins el seu interès per la divulgació científica, i l’oportunitat que m’han donat de poder explicar aquest emocionant descobriment, així com per l’acollida tan propera i càlida que m’han dispensat (premeu aquí si voleu veure el vídeo)