Conocer el universo a través de las ondas gravitacionales

La teoría de la relatividad de Albert Einstein revolucionó la física pero, además, fue determinante en la historia mundial. Aún hoy contrastar a través de la observación algunos de sus postulados devela a más de un científico y las ondas gravitacionales constituyen un caso de particular interés.

La concepción de tiempo y espacio que tiene la teoría de la relatividad es diferente a la de otras teorías: si no existieran los cuerpos que habitan el universo, el espacio-tiempo sería como una sábana estirada. Sin embargo, al colocarse diferentes objetos sobre este plano, se producen deformaciones: el espacio-tiempo se hunde en torno a los cuerpos y produce la atracción todo lo que los rodea.

Muchos investigadores definen las ondas gravitacionales justamente como arrugas en el espacio-tiempo, causadas por objetos de gran tamaño que al moverse producen una onda que se propaga, como ocurre cuando una piedra cae en una laguna. Estas ondas no se deforman, viajan sin perturbarse y, si se las analiza, pueden brindar información acerca del centro que las creó. Por lo tanto, constituyen una nueva fuente para conocer el universo y es por eso que medirlas despierta tanto interés.

La onda se siente

Oscar Reula y Carlos Kozameh, investigadores de CONICET, y Nicolás Wolovick, de la Universidad Nacional de Córdoba, trabajan en el Instituto de Física Enrique Gaviola (IFEG, CONICET-UNC) y colaboran con un proyecto internacional de gran envergadura llamado LIGO (Observatorio de Interferometría Láser de Ondas Gravitacionales), destinado a detectar y analizar estos fenómenos.

“Para medir una onda gravitacional se puede cuantificar la distancia relativa entre dos cuerpos y la variación que sufre cuando la onda pasa” explica Kozameh “El problema es que esta magnitud es muy pequeña; por ejemplo, la distancia entre el sol y la Tierra se modificaría sólo por el tamaño de un átomo”, agrega Reula.

La interferometría láser es una técnica que permite registrar estas pequeñísimas magnitudes con la precisión necesaria para obtener información directa de qué es lo que ocurre en el espacio-tiempo y de la dinámica de los objetos que crearon esa onda y es la técnica utilizada por LIGO.

¿Cómo funciona la interferometría láser? En un túnel con forma de “L”, cuyos brazos miden 4 km. de largo cada uno, se emite desde el vértice un láser que viaja simultáneamente hacia dos espejos ubicados cada uno en el extremo de uno de los lados. Cuándo el láser rebota, debe volver desde los dos espejos al punto de inicio, al mismo tiempo.

Si una onda atraviesa la trayectoria del láser y deforma el espacio-tiempo en esa zona, esto no ocurrirá y las distancias entre los dos brazos se acortarán. Las diferencias que se registren van a brindar la información necesaria para hacer los cálculos que determinen el origen de la onda captada. Kozameh explica que “es el sismógrafo más sensible del mundo, entonces hay que aislar el resto de los ruidos de la tierra con un filtro”.

En este punto es donde el grupo del IFEG colabora con el proyecto LIGO, a través del aporte de un software de desarrollo propio necesario para usar aceleradores de cálculo (GPUs) y poder procesar rápidamente las ondas captadas por el interferómetro. Como explica Reula “el instrumento capta un conjunto de señales, la mayor parte de las cuales son ruido. Para extraer la señal que se pretende estudiar hay que compararla con lo que debería ser, según una serie de muestras obtenidas por simulación”.

“El software interviene tanto en lo que refiere a la generación de la muestra, como al análisis y comparación de los datos. Para que todos estos procesos puedan realizarse rápidamente, se utilizan los GPUs”, agrega Wolovick.

La onda se ve

A través de un convenio con la Universidad de Texas en Brownsville, Estados Unidos, el Instituto de Astronomía Teórica y Experimental (IATE, CONICET-UNC), está trabajando en el proyecto TOROS (Transcient Optical Robotic Telescope of the South) en colaboración con el Center for Gravitational Wave Astronomy, del mismo país. Éste consiste en la instalación de un telescopio robótico en Tolar Grande, Salta, Mario Díaz -de la Universidad de Texas- y Diego García Lambas y Mariano Domínguez – investigadores de CONICET en el IATE- coordinan el proyecto.

Mientra LIGO sería los “oídos”, TOROS sería los “ojos” de las ondas gravitacionales, buscando la contraparte óptica de las que sean captadas por el interferometro. Este instrumento, según Domínguez, “estaría en condiciones de detectar cuando se fusionan dos objetos compactos y calcular una región relativamente grande en el espacio donde ocurrió. El objetivo del telescopio es ver este evento que ocurre una sola vez y dura muy poquito tiempo, e interpretar cuál fue la fuente, dónde sucedió y cruzarlo con los datos del interferómetro”. Esto, dice, es posible ya que este evento óptico tiene mayor duración que la onda gravitacional.

Si bien la tecnología necesaria para este observatorio ya existe, el ensamblaje y puesta a punto no es un detalle menor. El telescopio debe captar una gran área a una distancia enorme para poder observar qué ocurre en otras galaxias, mientras que en general cuanto más potente es el telescopio, más pequeño es el ángulo de observación. Otro objetivo es lograr que responda con rapidez.

Por otra parte la inteligencia artificial jugará un papel determinante. En un área de las que observaría este telescopio “pueden detectarse diez mil objetos de los cuales, probablemente, nos interese sólo uno, pero ¿cuál es?”, comenta Domínguez.

El investigador explica que es justamente en este punto donde interviene el aprendizaje automático. Esta metodología permite hacer una clasificación previa y automática, porque mientras se toman los datos, hay que decidir a cuál se le hace el seguimiento. “La velocidad es fundamental porque si detectamos el objeto emisor de las ondas, podemos mirarlo con otros telescopios”, remarca. Sumado a esto, el telescopio tiene que poder ser operado a distancia debido a las hostiles condiciones climáticas y la altura a la que se encuentra el observatorio.