Todos sabemos que, cuando un objeto golpea el agua de un estanque, se generan ondas que se propagan por su superficie. Pero la onda no es un objeto independiente que viaje sobre el agua. Lo que existe físicamente es una perturbación de la superficie del agua que se desplaza de un lugar a otro. La onda es la forma en que esa perturbación se propaga.
Algo parecido sucede con las ondas gravitacionales. No son una especie de objeto que viaje por el universo, sino una perturbación que se propaga en la propia geometría del espacio-tiempo. Según la teoría de la relatividad general, el espacio y el tiempo no constituyen un escenario rígido e inmutable, sino que pueden deformarse. Y esas deformaciones pueden propagarse en forma de ondas.
Cuando dos agujeros negros chocan y se fusionan, el efecto podría compararse, salvando las enormes distancias que existen entre ambas situaciones, con golpear violentamente el centro de un estanque. Solo que, en este caso, el «estanque» sería el propio espacio-tiempo y el golpe tendría una intensidad inimaginable.
También podríamos imaginar una enorme tarta de gelatina. Si hiciéramos explotar un petardo en su interior, la gelatina se deformaría y esa perturbación se propagaría hacia el exterior en forma de ondas. No habría una cosa llamada «onda» desplazándose por la gelatina: lo que se desplazaría sería la perturbación de la propia gelatina.
Con el espacio-tiempo sucede algo parecido, aunque la comparación tiene sus límites, porque el espacio-tiempo no es una sustancia material como la gelatina. Cuando dos agujeros negros se fusionan, una parte de la energía del sistema se emite en forma de ondas gravitacionales, es decir, como pequeñas perturbaciones que se propagan por el espacio-tiempo a la velocidad de la luz.
Y ahí es donde entra en juego LIGO.
Cada uno de los dos detectores de LIGO tiene dos brazos perpendiculares de cuatro kilómetros de longitud. Por ellos circulan haces de luz láser que son reflejados por espejos situados en los extremos y regresan al punto de partida. El sistema está diseñado para comparar con una precisión extraordinaria la distancia recorrida por los dos haces.
Cuando una onda gravitacional atraviesa el detector, el espacio-tiempo se estira ligeramente en una dirección y, al mismo tiempo, se comprime en la dirección perpendicular. Después ocurre lo contrario: el primer brazo se comprime mientras el otro se estira. Este proceso se repite mientras pasa la onda.
La variación es extraordinariamente pequeña. Tan pequeña que, en los brazos de cuatro kilómetros de LIGO, puede ser del orden de (10^{-18}) metros: muchísimo menos que el tamaño de un protón. En realidad, lo que importa no es tanto el cambio absoluto de longitud como la relación entre ese cambio y la longitud total del brazo, una magnitud que los físicos denominan strain.
¿Cómo puede detectarse algo tan diminuto?
Mediante la interferencia de la luz. Si los dos brazos mantienen exactamente la misma longitud efectiva, los dos haces de láser regresan al punto de encuentro en una determinada relación de fase. Pero cuando una onda gravitacional modifica ligeramente la longitud de los brazos, aunque sea de una manera inimaginablemente pequeña, esa relación cambia. La luz produce entonces un patrón de interferencia diferente, y los instrumentos pueden registrar ese cambio.
A partir de esa señal, los científicos pueden reconstruir lo que ocurrió. No basta con medir simplemente la intensidad de la perturbación para saber automáticamente a qué distancia se produjo o qué masas participaron. La señal contiene una forma característica que cambia con el tiempo, y los investigadores la comparan con modelos calculados mediante las ecuaciones de la relatividad general.
De esa comparación pueden inferir las propiedades del acontecimiento: las masas de los agujeros negros, su movimiento, la distancia aproximada a la que se produjo la fusión y la cantidad de energía que fue emitida en forma de ondas gravitacionales.
Eso es, en realidad, lo extraordinario de LIGO: no estamos viendo directamente cómo chocan dos agujeros negros. Estamos detectando, aquí en la Tierra, la diminuta huella que dejó aquel acontecimiento en la propia geometría del espacio-tiempo después de viajar durante miles de millones de años por el universo.
La primera detección directa, realizada en 2015, procedía de la fusión de dos agujeros negros de unas 36 y 29 masas solares, situada a unos 1.300 millones de años luz. Aproximadamente tres masas solares de energía fueron radiadas en forma de ondas gravitacionales durante una fracción de segundo.
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