Kip Thorne y una nueva forma de observar el universo: las ondas gravitacionales

 

El premio Nobel de física de este año fue para Kip Thorne, Rainer Weiss y Barry C. Barish por sus contribuciones a la detección de las ondas gravitacionales. Tuve la suerte de presenciar, unos meses antes, el nombramiento de Kip Thorne como doctor honoris causa por mi universidad, la UPC. En aquella ceremonia, Thorne pronunció un discurso que me parece interesante para entender cual fue su contribución en el descubrimiento, así como qué son las ondas gravitacionales y en qué consiste el observatorio LIGO que hizo posible su detección.

 

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En el blog ya se ha mencionado a Thorne alguna vez, en particular por su colaboración como asesor científico en la película Interestelar (2014). Como uno de los temas del blog es la ciencia ficción, me parece especialmente interesante la conexión entre la ciencia “real” y el cine que hizo posible aquella película. Por poner un ejemplo, el proyecto SXS que Thorne explica en el discurso se utilizó para simular el agujero negro que aparece en  la película.

Sin más, os dejo el discurso, que explica cómo se llegó a constituir LIGO y el duro trabajo, a lo largo de décadas, que abrió el camino a una nueva forma de observar el universo.

 

Discurso de Kip Thorne en el acto de investidura como doctor honoris causa de la UPC*

 

Este doctorado honoris causa de la Universitat Politècnica de Catalunya  es de gran importancia para mí. Honra, sobre todo, mis contribuciones al descubrimiento hecho por LIGO de las ondas gravitacionales. Es por eso que considero que lo comparto con el gran equipo de científicos e ingenieros, cuyas contribuciones fueron esenciales para nuestro descubrimiento.

Solo hay dos tipos de ondas que nos aportan información sobre el Universo: las ondas electromagnéticas y las ondas gravitacionales. Viajan a la misma velocidad, pero a parte de eso, no podrían ser más diferentes. Las ondas electromagnéticas (que incluyen la luz, las ondas infrarrojas, las microondas, las ondas de radio, las ondas ultravioleta, los rayos X y los rayos gamma) son oscilaciones de los campos eléctricos y magnéticos que viajan a través del espacio y el tiempo. Las ondas gravitacionales son oscilaciones en el tejido del espacio y el tiempo.

Galileo Galilei comenzó la astronomía electromagnética hace 400 años, cuando construyó un pequeño telescopio óptico, lo dirigió al cielo y descubrió las cuatro lunas más grandes de Júpiter. Nosotros, los científicos de  LIGO, comenzamos la astronomía gravitacional en el 2015, cuando nuestros complejos detectores descubrieron ondas gravitacionales de dos agujeros negros en colisión, a mil millones de años luz de la Tierra.

Los esfuerzos que condujeron a estos dos descubrimientos no podrían ser más diferentes. Galileo hizo su descubrimiento solo, aunque partió de las ideas y la tecnología de otros. Los científicos de LIGO hicimos nuestro descubrimiento a raíz de una estrecha colaboración entre más de 1000 científicos e ingenieros.

El profesor Garcia-Berro me considera uno de los líderes del proyecto LIGO. No obstante, solo fui líder en un sentido formal solo tres años, de 1984 al 1987, cuando presidí el comité directivo, que formábamos los tres fundadores: Rai Weiss, Ronald Drever y yo mismo. Nuestro comité de dirección fue un fracaso. A menudo no nos poníamos de acuerdo, y por lo tanto, no podíamos tomar decisiones lo suficientemente rápido para poder desarrollar el proyecto de manera eficiente.

Richard Isaacson, nuestro responsable de financiación en la Fundación Nacional de la Ciencia (NSF) de los EUA, nos dijo, de manera inequívoca, que el éxito requería que LIGO tuviera un único director, un director con suficiente autoridad y poder para tomar decisiones técnicas y de gestión. El director no necesitaba experiencia previa en el campo de las ondas gravitacionales. Lo que él o ella sí que necesitaba era una gran habilidad para diseñar una estructura de colaboración y gestión, para aprender física fundamental con rapidez, para encontrar los consejos útiles de los mejores expertos, para tomar decisiones inteligentes sobre la base de esos consejos y para convencer a los colaboradores de que acepten sus decisiones.

El éxito de LIGO se debe en buena medida a una serie de directores que tenían esas cualidades: Robbie Vogt, después Barry Barish, después Jay Marx y ahora David Reitze. De estos cuatro, solo David Reitze tenía experiencia en el ámbito de la ciencia de ondas gravitacionales antes de convertirse en director de LIGO.

Muchos otros grandes proyectos científicos han sufrido dificultades o incluso han fracasado porque no pudieron otorgar el poder suficiente a un solo director que tuviera las habilidades necesarias.

Dado que como líder no tuve éxito en la organización o la toma de decisiones en LIGO, ¿cuáles han sido mis contribuciones? Como ha indicado el profesor Garcia-Berro, formulé una visión de la ciencia que LIGO debería desarrollar. Y me concentré en la ‘partida final’. Me preguntaba continuamente: “¿Qué es necesario para conseguir un éxito total al final ¿Qué falta, qué debe confluir con el esfuerzo experimental principal de LIGO para poder ampliar el campo de la astronomía gravitacional y maximizar la información que nos aporta?”

Para mí, desarrollar esta visión y no dejar de pensar en el desenlace fue una tarea que duró medio siglo.

En 1963, mi mentor John Wheeler y el primer físico experimental que intentó detectar las ondas gravitacionales, Joseph Weber, me inspiraron a centrarme en las ondas gravitacionales como estudiante. Especialmente importantes fueron mis conversaciones con Weber durante largos paseos en los Alpes franceses.

En 1966, cuando me uní al Caltech, comencé a formular mi visión de las fuentes de ondas gravitacionales y los conocimientos que las ondas gravitacionales podían aportarnos; una visión basada en buena medida en la información y las ideas proporcionadas por mis mismos alumnos y las de los colegas de física y astronomía de todo el mundo. Continué actualizando esta visión en las décadas posteriores hasta la década del 2000, incorporándola a las propuestas de financiación que redactamos para LIGO y ofreciéndola a mis colegas del Observatorio, como una guía para sus esfuerzos de análisis de datos.

En 1972, Rainer Weiss creó un diseño detallado para un nuevo tipo de detector de ondas gravitacionales basado en la interferometría láser, que finalmente se convertiría en LIGO. En el artículo experimental más potente que he leído nunca, Rai identificó las principales fuentes de ruido a las que un detector de ese tipo se enfrentaría, describió formas de tratar cada ruido y estimó el grado de sensibilidad del detector resultante. Comparándolas con la fuerza de las ondas que mis colegas y yo estábamos calculando, él concluyó que el detector tenia una buena oportunidad de tener éxito.

Al principio fui escéptico. En el libro Gravitation, que publiqué un año después con Charles Misner y John Wheeler, etiqueté el detector de Rai como “no muy prometedor”, ya que necesitaba la luz para controlar los movimientos de unos espejos que era un billón de veces más pequeños que la longitud de onda de la luz. Parecía ridículamente imposible.

Pero después de estudiar el artículo de Rai con profundidad y de largas conversaciones con él, cambié de opinión y pasé la mayor parte del resto de mi carrera tratando de ayudarle a tener éxito, de todas las formas en las que un teórico podía ayudarle.

Ronald Drever, en Glasgow, Escocia, había intentado diversas mejoras importantes surgidas de las ideas de Rai; de manera que, a finales de la década de 1970, fui el responsable de llevar a Drever al Caltech para crear una iniciativa experimental, en colaboración con la de Rai en el MIT. Y en 1983, los tres creamos el proyecto LIGO.

Paralelamente al esfuerzo experimental del proyecto, yo no dejaba de pensar en como acabaría todo. ¿Qué más hacía falta para que el éxito fuera total?

Un ingrediente adicional obvio era el análisis de los datos: ¿cómo poder extraer señales muy débiles de los datos de LIGO, llenas de ruido? Aquí de nuevo fui ingenuo al principio: pensé que el análisis de los datos sería fácil. Pero estaba equivocado.

Bernard Schutz, en Cardiff, comenzó a pensar profundamente sobre el análisis de datos de LIGO a finales de 1980, en colaboración con Alberto Lobo y otros. Bernard me convencieron rápidamente de que el análisis de los datos sería difícil. De manera que a principios de 1990 comencé a centrarme en el análisis de datos en el Caltech, en paralelo a los esfuerzos de Bernard y Alberto en Europa. Pronto un grupo de jóvenes con mucho talento, inspirados por Bernard, Alberto y yo, aceptaron el reto y formularon sistemas de análisis de datos que parecían prometedores. Así que, hacia el año 2000, me dejé de preocupar del análisis de datos. Pero tenía otra preocupación más profunda.

En 1980 me pareció evidente que una de las fuentes más fuertes (las primeras cosas que LIGO detectaría) probablemente sería la colisión de agujeros negros. Para detectar las colisiones de ondas y extraer la información, necesitábamos un catálogo de todas las formas de onda que las colisiones podían producir, es decir, las formas de onda gravitacional.

El cálculo de estas formas de onda era tan difícil que no se podía hacer solo con papel y lápiz. Era necesarias simulaciones por ordenador para resolver las ecuaciones de la relatividad de Einstein, una tarea llamada relatividad numérica.

De manera que yo consideraba la relatividad numérica como un esfuerzo crucial que alimentaría el análisis de datos de LIGO para que el Observatorio tuviera éxito. A principios de la década de 1990, había una docena de pequeños grupos de investigación por todo el mundo tratando de perfeccionar los códigos informáticos para la relatividad numérica. Pero se avanzaba muy lentamente. Bajo la presión de Richard Isaacson, el responsable de financiación de NSF, que nos había obligado a nombrar a un solo director para LIGO, estos grupos de investigación se unieron en una colaboración mundial llamada Grand Challenge Alliance. Como presidente del comité asesor de Alliance, tengo una imagen muy clara del progreso a lo largo de la década de 1990 y la década de 2000.

A principios de la década de 2000 comencé a ponerme realmente nervioso. Era probable que las simulaciones de colisión de agujeros negros no estuvieran listas a tiempo para el primer descubrimiento de ondas gravitacionales de LIGO. Para acelerar la investigación, era necesario un esfuerzo mucho más grande y más concentrado. Afortunadamente, en aquel momento yo ya había formado un grupo de jóvenes científicos que podrían hacerse cargo de los roles que tenía dentro del proyecto LIGO, de manera que dejé de participar en el día a día de LIGO, y dediqué todos los esfuerzos a la relatividad numérica, en colaboración con el gigante intelectual de este campo, Saul Teukolsky, de la Universidad de Cornell. Lo llamamos proyecto SXS: Simulate eXtreme Spacetimes.

En 2004 un investigador posdoctoral en nuestro proyecto SXS, Frans Pretorius, tuvo éxito en la creación de un código informático que simulaba dos agujeros negros que orbitan uno alrededor del otro y que, poco a poco, orbitan en espirales más pequeñas a medida que las ondas gravitacionales pierden energía, y que simulaba la colisión de los agujeros y la última y espectacular explosión de ondas gravitacionales. Sobre la base del gran avance de Pretorious, en 2015 SXS había elaborado un catálogo lo suficientemente completo de ondas gravitacionales para sustentar el análisis de datos de LIGO y sus descubrimientos de ondas gravitacionales.

Me gustaría añadir que, al igual que no contribuí significativamente en la construcción real de los detectores de LIGO, tampoco contribuí en crear los códigos informáticos SXS. Mi función principal fue identificar lo que se necesitaba, e inspirar a otros a desarrollarlo.

Los detectores avanzados de LIGO de ahora tienen un tercio del grado de sensibilidad previsto cuando se diseñaron. Cuando estén completamente perfeccionados, verán tres veces más profundamente en el universo, es decir, abarcarán un volumen 27 veces mayor, de manera que en lugar de descubrir alrededor de una colisión de agujeros negros al mes, buscando las ondas, descubrirá más o menos una al día. Con las nuevas mejoras previstas, descubrirá unas cuantas a la hora a finales de 2020, así como ondas de muchas otras fuentes. Sin embargo esto requerirá un cambio importante en los diseños de los detectores: un cambio predicho hace medio siglo por Vladimir Braginsky, un magnífico físico experimental ruso.

En 1968, Braginsky nos dijo que para conseguir el éxito nuestros detectores de ondas gravitacionales deberían vigilar los movimientos de los objetos muy pesados, como los espejos de LIGO, con tanta precisión que veríamos fluctuar de forma impredecible su movimiento: fluctuaciones controladas por las leyes de la mecánica cuántica. Por primera vez, los humanos verían objetos de tamaño humano comportándose de acuerdo con la mecánica cuántica, un comportamiento solo observado previamente en átomos, moléculas y partículas fundamentales. Tardé diez años, pero en 1978 entendí la preocupación de Braginsky cualitativamente y comencé a instar a mis estudiantes e investigadores posdoctorales a investigarla cuantitativamente.

En 1983, cuando Weiss, Drever y yo cofundábamos LIGO, mi estudiante Carlton Caves desarrolló un conocimiento detallado de estas fluctuaciones cuánticas de los espejos del Observatorio. Y, desde entonces hasta ahora, mi grupo de investigación del Caltech y el de Braginsky en Moscú han colaborado para desarrollar los que Braginsky llama quantum nondemolition techniques (técnicas cuánticas no destructivas) para LIGO: técnicas experimentales y de análisis de datos para asegurar que las señales de ondas gravitacionales que pasan a través de los espejos de 40 kilos de LIGO no sean destruidas por las fluctuaciones cuánticas de los espejos. La primera de estas técnicas cuánticas no destructivas se implementará en LIGO a finales de este año y durante los siguientes años resultarán cruciales.  

Aquí, de nuevo debo confesar: estas técnicas cuánticas no destructivas fueron diseñadas en buena medida por mis estudiantes e investigadores posdoctorales, y por los estudiantes e investigadores posdoctorales de Braginsky. Mi papel aquí, como en la mayoría de lugares, fue identificar lo que se debía hacer y animar a otros a hacerlo.

En este sentido he sido crucial para LIGO. No obstante, el mérito real para el éxito de LIGO es de otros: los científicos e ingenieros que construyeron los detectores de LIGO y que los hicieron funcionar; los que desarrollaron los algoritmos de análisis de datos de LIGO y los hicieron funcionar; los que perfeccionaron los códigos informáticos de la relatividad numérica y los usaron para simular la colisión de agujeros negros, y aquellos que formularon y perfeccionaron las técnicas cuánticas no destructivas de LIGO y que comenzarán a implementar a finales de este año.

A estos colegas, les doy las gracias; les estoy enormemente agradecido. Los éxitos de LIGO son suyos; son ellos los que se merecen el reconocimientos. Y considero que comparten este maravilloso doctorado honoris causa conmigo.

 

* Este discurso ha sido traducido al español y transcrito por mi, a partir de la transcripción inglesa proporcionada por la UPC.

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Un comentario

  1. […] Hasta hace poco, las ondas gravitacionales o el bosón de Higgs solo existían en teoría, pero lograron detectarse. Esta novela, escrita en 1980, especula sobre la futura (1998) detección de unas partículas que […]

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