Agencias de NoticiasSi alguien ahí fuera está usando un motor Warp al estilo de Star Trek, puede que haya una forma de detectarlo desde aquí en la Tierra.
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Tomemos un ejemplo extraño. Si hubiera extraterrestres volando alrededor de nuestra galaxia con el tipo de tecnología de propulsión Warp que a menudo vemos en los programas de ciencia ficción, ¿cómo se vería la señal de sus naves? Tal vez, sorprendentemente, nuestra investigación muestra que tenemos las herramientas para responder a esta pregunta, independientemente de si tales cosas realmente existen.
Los telescopios que utilizan la luz para sondear el espacio ahora pueden ver casi hasta el borde de lo observable. Cada nueva frecuencia que hemos explorado, desde rayos gamma y rayos X hasta infrarrojos y radio, nos ha enseñado algo nuevo e inesperado.
En 2015, se encendió un nuevo tipo de telescopio, un detector llamado Ligo, que no busca ondas de luz sino ondas gravitacionales, que son “ondulaciones” invisibles en el espacio y el tiempo. Una vez más, la naturaleza nos sorprendió con una señal etiquetada como GW150914 de un par de agujeros negros. Cada una tenía unas treinta veces la masa de nuestro sol, y se fusionaron en una violenta colisión a 1.400 millones de años luz de distancia.
Desde entonces, las ondas gravitacionales se han convertido en una nueva herramienta esencial para los académicos que exploran el universo. Pero todavía estamos en el comienzo de nuestras exploraciones. ¿Qué señales podríamos ver en los datos? ¿Cambiarán la forma en que vemos la física del cosmos?
Sin embargo, hay una pregunta 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 haya visto motores Warp en series como Star Trek. Un motor Warp es una forma hipotética de tecnología que comprime el espacio delante de una nave espacial y lo expande detrás. Si bien nada puede viajar más rápido que la velocidad de la luz, en un motor Warp podemos hacer trampa acortando nuestra distancia. Entonces, el tiempo que tarda en ir de A a B es menor que el tiempo que tarda la luz en otro camino sin comprimir.
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 de curvatura utilizando las ecuaciones de la relatividad general de Einstein.
La relatividad general es una relación entre la curvatura del espacio-tiempo (gravedad) y una distribución de materia o energía (material). Normalmente, empezamos por conocer el “material”. Por ejemplo, sabemos que tenemos una masa de materia que representa un planeta o una estrella. Luego introducimos ese material en las ecuaciones para determinar cómo se curva el espacio-tiempo. Y cómo se curva nos indica la gravedad que mediríamos alrededor del objeto.
Se podría decir que esto es exactamente lo que hace la imagen de la gravedad de Isaac Newton: dar una relación entre la masa de un objeto y la fuerza gravitatoria que ejerce. Y estaría en lo cierto. Pero el concepto de curvatura del espacio-tiempo da lugar a una gama mucho más rica de fenómenos que una simple fuerza. Permite una especie de gravedad repulsiva que impulsa a nuestro universo a expandirse, crea dilatación del tiempo alrededor de objetos masivos y ondas gravitacionales en el espacio-tiempo y, al menos en teoría, hace posible los impulsos de curvatura.
Alcubierre abordó su problema desde la dirección opuesta a la habitual. Sabía qué tipo de curvatura del espacio-tiempo quería. Era una en la que un objeto pudiera surfear en una región del espacio-tiempo deformado. Así que trabajó al revés para determinar el tipo de configuración de materia que se necesitaría para crearla. No era una solución natural de las ecuaciones, sino algo “hecho a medida”. Sin embargo, no era exactamente lo que él habría pedido. Descubrió que necesitaba materia exótica, algo con una densidad de energía negativa, para deformar el espacio de la manera correcta.
Los físicos suelen ver con escepticismo las soluciones de materia exótica, y con razón. Si bien, matemáticamente, se puede describir la materia con energías negativas, casi todo lo que conocemos parece tener una energía positiva. Pero en física cuántica, hemos observado que pueden ocurrir pequeñas violaciones temporales de la positividad energética y, por lo tanto, la “ausencia de energía negativa” no puede ser una ley fundamental absoluta.
De los motores de curvatura a las ondas
Dado el modelo de Alcubierre del espacio-tiempo con motor de curvatura, podemos empezar a responder a nuestra pregunta original: ¿cómo se vería una señal procedente 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 las 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 siguen siendo muy ruidosos, lo que significa que a menudo tenemos que saber aproximadamente cómo se ve una señal para poder extraerla del flujo de datos. Y, en segundo lugar, incluso si una señal es tan fuerte que se destaca por encima del ruido, necesitamos un modelo para interpretarla. Es decir, necesitamos haber modelado muchos tipos diferentes de evento, 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 con motor de curvatura es que no produce ondas gravitacionales de forma natural a menos que comience o se detenga. Nuestra idea era estudiar qué sucedería cuando se detuviera un motor de curvatura, particularmente en el caso de que algo saliera mal. Supongamos que el campo de contención del motor de curvatura colapsara (una historia básica en la ciencia ficción); presumiblemente habría una liberación explosiva tanto de la materia exótica como de las ondas gravitacionales. Esto es algo que podemos simular, y lo hicimos, utilizando la relatividad numérica.
Lo que descubrimos fue que el colapso de la burbuja del motor de curvatura es de hecho un evento extremadamente violento. La enorme cantidad de energía necesaria para deformar el espacio-tiempo se libera tanto en forma de ondas gravitacionales como de ondas de energía de materia positiva y negativa. Desafortunadamente, lo más probable es que sea el final del camino para la tripulación de la nave, que sería destrozada por las fuerzas de marea.
Sabíamos que se emitiría una señal de onda gravitacional; cualquier movimiento de materia de forma desordenada crea una onda de este tipo. Pero no podíamos predecir la amplitud y la frecuencia, y cómo estas dependerían del tamaño de la región deformada.
Nos sorprendió descubrir que, para una nave de un tamaño de 1 km, la amplitud de la señal sería significativa para cualquier evento de este tipo dentro de nuestra galaxia e incluso más allá. A una distancia de 1 megaparsec (un poco más allá de la galaxia de Andrómeda), la señal es similar a la sensibilidad de nuestro detector actual. Sin embargo, la frecuencia de las ondas es aproximadamente mil veces mayor que el rango que están observando.
Deberíamos ser honestos y decir que no podemos afirmar que nuestra señal sea la señal definitiva del motor de curvatura. Tuvimos que tomar algunas decisiones específicas en nuestro modelo. Y nuestros hipotéticos extraterrestres pueden haber tomado otras diferentes. Pero como prueba de principio, muestra que los casos más allá de los eventos astrofísicos estándar se pueden modelar y pueden tener formas distintivas 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 de Galileo, tomando fotografías del universo en la estrecha banda de frecuencia de la luz visible. Tenemos todo un espectro de frecuencias de ondas gravitacionales aún por explorar, que serán sensibles a una variedad de fenómenos que ocurren a través del espacio y el tiempo.
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Rafael Oseguera
Elias Marin
