¿Cuánto sabemos realmente sobre qué más hay en el Universo?
Tomemos un ejemplo extraño. Si hubiera extraterrestres viajando a través de nuestra galaxia con el tipo de tecnología warp drive que vemos a menudo en programas de ciencia ficción tipo “Star Trek” (viaje a las estrellas), ¿cómo serían las señales del paso de sus barcos? Sorprendentemente, nuestra investigación muestra que tenemos las herramientas para responder a esta pregunta, independientemente de si tales barcos existen realmente.
Los telescopios utilizan la luz para explorar el espacio y ahora pueden ver casi hasta el límite de lo observable. Cada nueva frecuencia que exploramos (desde los rayos gamma y los rayos X hasta los infrarrojos y la radio) nos ha enseñado algo nuevo e inesperado.
En 2015, se activó un nuevo tipo de telescopio, un detector llamado LIGO, que no busca ondas de luz sino ondas gravitacionales, que son “ondas” invisibles en el espacio-tiempo. Una vez más, la naturaleza nos sorprendió con una señal designada como GW150914 procedente de un par de agujeros negros. Cada uno tenía aproximadamente 30 veces la masa de nuestro Sol y se fusionaron en una violenta colisión a 1.400 millones de años luz de la Tierra.
Desde entonces, las ondas gravitacionales se han convertido en una nueva herramienta esencial para los científicos que exploran y estudian el Universo. Pero todavía estamos en el comienzo de nuestras exploraciones. ¿Qué señales podríamos ver en los datos y cómo cambiarán la forma en que vemos la física del Cosmos?
Sin embargo, hay una cuestión más práctica que a menudo se pasa por alto: si hay algo ahí fuera, ¿cómo lo reconoceríamos?
De la ciencia ficción a la ciencia seria
Es posible que ya hayas visto unidades warp (unidades de deformación) en series como “Star Trek”. Un motor warp es una forma hipotética de tecnología que comprime el espacio delante de una nave estelar y lo expande detrás. Aunque nada puede viajar más rápido que la velocidad de la luz, con un motor warp podemos saltarnos este límite, acortando la distancia. Por lo tanto, el tiempo que tarda la luz en llegar de A a B es menor que el tiempo que tarda la luz en otro camino no comprimido por el motor warp.
El salto de la ciencia ficción a la ciencia real lo dio el físico teórico Miguel Alcubierre en 1994, cuando se inspiró para modelar un motor warp utilizando las ecuaciones de la relatividad general de Einstein.
La Teoría General de la Relatividad predice una relación entre la curvatura del espacio-tiempo (gravedad) y la distribución de materia o energía (“cosas”) en el espacio. Por lo general, comenzamos conociendo “cosas”. Por ejemplo, sabemos que tenemos una “gota” de materia que representa un planeta o una estrella. Luego incorporamos este asunto en ecuaciones para determinar cómo se curva el espacio-tiempo. Y cómo se curva nos dice la gravedad que mediríamos alrededor del objeto.
Se podría decir que esto es exactamente lo que hace la imagen de la gravedad clásica de Isaac Newton: proporcionar una relación entre la masa de un objeto y la fuerza gravitacional que ejerce. Y tendrías razón. Pero el concepto de curvatura del espacio-tiempo da lugar a una gama de fenómenos mucho más rica que una simple fuerza. Permite una especie de gravedad repulsiva que hace que nuestro Universo se expanda, crea una dilatación del tiempo alrededor de objetos masivos y ondas gravitacionales en el espacio-tiempo y, al menos en teoría, hace posibles los impulsos warp.
Alcubierre abordó su problema desde el lado opuesto al habitual. Sabía el tipo de curvatura del espacio-tiempo que quería. Era un tipo en el que un objeto podía navegar por una región del espacio-tiempo deformado. Entonces trabajó hacia atrás para determinar el tipo de configuración de materia que sería necesaria para crear esto. No era una solución natural de las ecuaciones, sino algo “hecho por encargo”. Pero lo que obtuvo no fue exactamente lo que habría pedido. Descubrió que necesitaba materia exótica, algo con una densidad de energía negativa, para deformar el espacio de la manera correcta.
Los físicos generalmente ven con escepticismo las soluciones de materia exótica, y con razón. Aunque matemáticamente es posible describir materiales con energías negativas, casi todo lo que conocemos parece tener una energía positiva. Sin embargo, en física cuántica observamos que pueden ocurrir pequeñas y temporales violaciones de la positividad de la energía y, por lo tanto, la “no energía negativa” no puede ser una ley absoluta y fundamental.
De motores warp a olas
Dado el modelo de Alcubierre del espacio-tiempo del motor warp, podemos empezar a responder nuestra pregunta original: ¿cómo sería una señal proveniente de él?
Una de las piedras angulares de las observaciones modernas de ondas gravitacionales y uno de sus mayores logros es la capacidad de predecir con precisión formas de onda a partir de escenarios físicos utilizando una herramienta llamada “relatividad numérica”.
Esta herramienta es importante por dos razones. En primer lugar, porque los datos que obtenemos de los detectores todavía tienen mucho “ruido”, lo que significa que a menudo necesitamos saber aproximadamente cómo se ve una señal para poder extraerla del flujo de datos. Y segundo, incluso si la señal es tan fuerte que destaca por encima del ruido, necesitamos un modelo para interpretarla. Es decir, necesitamos haber modelado muchos tipos diferentes de eventos para poder hacer coincidir la señal con su tipo; de lo contrario, podríamos sentirnos tentados a descartarlo como ruido o etiquetarlo erróneamente como una fusión de agujeros negros.
Un problema con el espacio-tiempo warp drive es que no emite ondas gravitacionales de forma natural a menos que se ponga en marcha o se detenga. Nuestra idea era estudiar qué pasaría cuando un motor warp se detuviera, especialmente en caso de que algo saliera mal. Supongamos que el campo de contención del motor warp colapsara (una trama básica de ciencia ficción); presumiblemente habría una liberación explosiva tanto de materia exótica como de ondas gravitacionales. Esto es algo que podemos simular y lo hemos simulado utilizando la relatividad numérica.
Lo que descubrimos fue que el colapso de la burbuja del motor warp es, de hecho, un evento extremadamente violento. La enorme cantidad de energía necesaria para deformar el espacio-tiempo se libera en forma de ondas gravitacionales y ondas de energía de materia positiva y negativa. Desafortunadamente, es muy probable que sea el final del camino para la tripulación del barco, que sería destrozada por las fuerzas de las mareas.
¡Velocidad increíble, Scotty!
Sabíamos que se emitiría una señal de onda gravitacional; cualquier movimiento de la materia de forma desordenada crea una onda de este tipo. Pero no pudimos predecir la amplitud y la frecuencia, y cómo dependerían del tamaño de la región deformada.
Nos sorprendió descubrir que, para una nave que mide 1 km de tamaño, la amplitud de la señal sería significativa para cualquier evento de este tipo en nuestra galaxia, e incluso más allá. A una distancia de 1 megaparsec (3,26 millones de años luz, un poco más lejos que la galaxia de Andrómeda), la señal es similar a la sensibilidad de nuestro detector de ondas gravitacionales actual. La frecuencia de las ondas, sin embargo, es aproximadamente mil veces mayor que el alcance que observamos con ellas.
Debemos ser honestos y decir que no podemos afirmar que nuestra señal sea una señal definitiva de un impulso warp. Tuvimos que tomar algunas decisiones específicas en nuestro modelo. Y nuestros extraterrestres hipotéticos pueden haber tomado decisiones diferentes. Pero como prueba de principio, muestra que los casos más allá de los eventos astrofísicos estándar se pueden modelar y pueden tener formas distintas que podemos buscar en futuros detectores.
Nuestro trabajo también nos recuerda que, en comparación con el estudio de las ondas de luz, todavía estamos en la etapa galileana, imaginando el Universo en el estrecho rango de frecuencia de la luz visible. Todavía nos queda todo un espectro de frecuencias de ondas gravitacionales por explorar, que serán sensibles a una serie de fenómenos que ocurren en el espacio-tiempo.
Katy Clough recibe financiación del STFC
Tim Dietrich está afiliado al Instituto Max Planck de Física Gravitacional.
Sebastian Khan no consulta, trabaja, posee acciones ni recibe financiación de ninguna empresa u organización que se beneficiaría de la publicación de este artículo y no ha revelado relaciones relevantes más allá de su función académica.
