Rainer Weiss, Kip S. Thorne y Barry C. Barish y la Colaboración Científica LIGO son los nuevos Premio Princesa de Asturias de Investigación Científica y Técnica de 2017, por su labor en la confirmación de la Teoría General de la Relatividad de Einstein respecto a las ondas gravitacionales.
Los físicos Rainer Weiss, Kip S. Thorne y Ronald Drever (fallecido en marzo de 2017) fueron los que, en los años 80, propusieron la construcción del Observatorio de Interferometría Láser de Ondas Gravitacionales (LIGO, por sus siglas en inglés) para la detección de ondas gravitacionales –ondulaciones en el tejido del espacio-tiempo– predichas por Albert Einstein hacía un siglo en su Teoría General de la Relatividad y que son uno de los pilares de esta visión del Universo en las “grandes cosas” (en contraposición al nivel de las “pequeñas cosas” o subatómico y que se rige por la cuántica). La comprobación real de este fenómeno tenía la capacidad de poder ampliar el todavía estrecho punto de visión del todo que tiene la Humanidad. La teoría debía ser comprobada, y ellos lo consiguieron basándose en esa instalación vital.
Los detectores LIGO comenzaron a funcionar en 2002 y trece años después, la Colaboración Científica LIGO anunció la primera detección de ondas gravitacionales procedentes de la colisión de dos agujeros negros de características desconocidas hasta ese momento, lo que ha supuesto un hito en la historia de la física al confirmar la predicción de Einstein y ha marcado el inicio de un nuevo campo de la astronomía, la astronomía de ondas gravitacionales. Este observatorio estuvo dirigido entre 1997 y 2006 por el físico Barry C. Barish, que impulsó la fundación en 1997 de la Colaboración Científica LIGO, en la que se han integrado investigadores de universidades e instituciones de todo el mundo.
Este descubrimiento está considerado uno de los logros científicos más importantes del siglo al validar uno de los pilares de la física moderna, la Teoría General de la Relatividad. Tras el hallazgo, Ronald Drever, Kip Thorne y Rainer Weiss fueron galardonados conjuntamente en 2016 con el Special Breakthrough Prize in Fundamental Physics (compartido con el equipo que firmó el artículo científico), el Gruber Prize in Cosmology (EE.UU.), el Shaw Prize in Astronomy (Hong Kong), el Smithsonian American Ingenuity Award in the Physical Sciences (compartido también con Barry C. Barish) y el Kavli Prize in Astrophysics, que conceden la Academia Noruega de Ciencias y Letras, la Fundación Kavli (Estados Unidos) y el Ministerio de Educación e Investigación de Noruega.
Rainer Weiss (Berlín, 1932) estudió Física en el MIT, donde se licenció en 1955 y se doctoró en 1962. Docente en la Universidad Tufts e investigador en Princeton, en 1964 regresó como profesor asociado al MIT, donde ha desarrollado toda su carrera. Desde 2001 es profesor emérito de Física. Entre sus aportaciones científicas, Rainer Weiss fue pionero en la medición del espectro de radiación del fondo cósmico de microondas, radiación procedente de fotones en la etapa más temprana del universo y también fue cofundador de la misión COBE (Cosmic Background Explorer), lanzado en 1989. Es internacionalmente reconocido por inventar la técnica interferométrica láser que supuso la base para la construcción de LIGO. Sentó las bases para este proyecto, a principios de los setenta, al detallar cómo debería un interferómetro distinguir las ondas gravitacionales del ruido de fondo. Realizó un profundo análisis de la mayoría de las principales fuentes de ruido que un interferómetro podría encontrar y desarrolló un detallado diseño para un detector de ondas gravitacionales que superara ese ruido, lo que constituyó la hoja de ruta de dos décadas de I+D que condujeron a LIGO.
Miembro de la Academia Nacional de Ciencias de Estados Unidos, de la Academia Americana para el Avance de la Ciencia, la Sociedad Física Americana, la Academia Americana de Artes y Ciencias y la Sociedad Astronómica Americana, Rainer Weiss formó parte del equipo del proyecto COBE que en 2006 recogió el Gruber Prize in Cosmology. Entre otros reconocimientos, Weiss recibió el NASA Achievement Award (1984), el NASA Exceptional Scientific Achievement Award (1991), el Einstein Prize de la Sociedad Física Americana (2000) y la Medalla de la Asociación para el Desarrollo Internacional del Observatorio de Niza (Francia, 2002).
Kip S. Thorne (Logan, Utah, EEUU, 1940) se licenció en Física en el Caltech en 1962 y se doctoró en Princeton en 1965. En 1966 regresó como investigador al Caltech, donde ha desarrollado toda su carrera, tanto docente como investigadora. Reconocido como uno de los astrofísicos más reputados y uno de los mayores expertos en la teoría general de la relatividad de Einstein, es desde 2009 catedrático emérito Feynman de Física Teórica. Thorne, que aprendió ruso para poder conocer el trabajo que desarrollaban los físicos soviéticos en los campos de la astrofísica y la relatividad, formó parte del Comité de Cooperación en Física entre Estados Unidos y la Unión Soviética a finales de los setenta.
En los años sesenta y setenta, Thorne fijó los fundamentos teóricos de las pulsaciones de estrellas relativistas y las ondas gravitacionales que emiten y, durante los setenta y ochenta, desarrolló la formulación matemática a través de la cual los astrofísicos analizan la generación de estas. Dirigió un grupo de investigación en el Caltech para estudiar el campo teórico de las ondas gravitacionales y trabajó con Vladimir Braginsky, Ronald Drever y Rainer Weiss en nuevas técnicas para su detección. Cofundador de LIGO, Thorne dirigió su comité director entre 1984 y 1987. Durante las tres décadas siguientes, el trabajo de su grupo ha estado orientado a proporcionar apoyo teórico a LIGO, incluyendo la identificación de fuentes de ondas gravitacionales como objetivo para este observatorio y los fundamentos para las técnicas de análisis de datos.
Thorne también ha realizado importantes aportaciones, como la predicción, junto con Anna Zytkow, de la existencia de una red de estrellas supergigantes con núcleos de estrella de neutrones, conocidas como “Thorne-Zytkow Objects”; o el desarrollo, con Igor Novikov y Don Page, de la teoría de los discos de acrecimiento alrededor de los agujeros negros, o la derivación desde la teoría de la relatividad, junto a James Hartle, de las leyes de movimiento y precesión de los agujeros negros. También inventó herramientas para visualizar la curvatura del espacio-tiempo. A principios de los 2000, creó, con Saul Teukolsy, el SXS (Simulating Extreme Spacetimes) Project, cuyo objetivo es la simulación informática de fuentes de ondas gravitacionales.
Estas simulaciones resultaron cruciales para la extracción de información transportada por las ondas gravitacionales descubiertas por LIGO. En 2009 comenzó a colaborar con artistas, músicos y cineastas en actividades destinadas a divulgar la ciencia entre diferentes públicos. Fruto de una de estas colaboraciones fue su participación en la película de Christopher Nolan (2014), de la que fue productor ejecutivo y responsable científico. Después publicó el libro de divulgación The Science of Interstellar (2014), en el que explica el contenido científico del filme. No era su primer libro de divulgación, ya que en 1994 había publicado Black Holes and Time Warps: Einstein’s Outrageous Legacy
Doctor honorario de varias universidades, Thorne es miembro de la Academia Nacional de Ciencias de Estados Unidos, de la Academia Americana de Artes y Ciencias, de la Sociedad Filosófica Americana, de la Sociedad Física Americana, de la Asociación Americana para el Avance de la Ciencia, de la Sociedad Internacional de Relatividad General y Gravitación y miembro extranjero de las academias Rusa de Ciencias y Noruega de Ciencias y Letras. Ha recibido, entre otros reconocimientos, el Julius Edgar Lilienfeld Prize (EE.UU., 1996), la Medalla Karl Schwarzschild (Alemania, 1996), el Common Wealth Award in Science (EE.UU., 2005), la Medalla Albert Einstein (Suiza, 2009), la UNESCO Niels Bohr Gold Medal (2010), el Tomalla Prize for Extraordinary Contributions to General Relativity and Gravity (Suiza, 2016), el Premio Internacional Georges Lemaître (Bélgica, 2016) y la Medalla Oskar Klein (Suecia, 2016).
Barry C. Barish (Omaha, Nebraska, EEUU, 1936) estudió Física en la Universidad de California en Berkeley, donde se licenció en 1957 y se doctoró en Física Experimental de Partículas en 1962. En 1966 comenzó a trabajar en el Caltech, donde desarrolló toda su carrera docente e investigadora. Desde 2005 es catedrático emérito de Física Maxine and Ronald Linde. Al comienzo de su carrera, Barish realizó experimentos destacados utilizando colisiones de neutrinos de alta energía para revelar la subestructura de quark del nucleón y participó en el experimento internacional MACRO (Monopole, Astrophysics and Cosmic Ray Observatory), desarrollado en los noventa en el Tunel Gran Sasso en Italia. Posteriormente, Barish fijó su área de investigación en el Observatorio de Interferometría Láser de Ondas Gravitacionales (LIGO), convirtiéndose en su investigador principal en 1994 y director del LIGO Laboratory en 1997, puesto que desempeñó hasta 2006. Como tal, dirigió los esfuerzos que condujeron a las etapas del diseño final, la aprobación de la financiación por parte de la Fundación Nacional de Ciencias de Estados Unidos, así como la construcción de los interferómetros de LIGO en Livingston y Hanford.
En 1997 creó la Colaboración Científica LIGO, que actualmente está formada por 1.167 científicos del campo de la física de más de un centenar de universidades e instituciones de dieciocho países. También, bajo su liderazgo se aprobaron las mejoras que condujeron al posterior perfeccionamiento de las infraestructuras, que se completaron en 2014 y que convirtieron los interferómetros, denominados Advanced LIGO, en instrumentos diez veces más sensibles que los originales. Desde 2013 es miembro del comité ejecutivo de la Colaboración Científica LIGO. Barish también fue director, entre 2005 y 2013, del Global Design Effort para el Colisionador Lineal Internacional (ILC, por sus siglas en inglés), que aún no ha sido construido y que complementará el Gran Colisionador de Hadrones (LHC, por sus siglas en inglés) de la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN).
Barish ha formado parte de numerosos comités y paneles de expertos, nacionales e internacionales, entre ellos el National Science Board, formado por 24 personas que supervisan a la Fundación Nacional de Ciencias y asesoran al presidente de Estados Unidos y al Congreso de este país en asuntos relacionados con la ciencia, la ingeniería y la educación. Doctor honoris causa por las universidades de Bolonia, Florida y Glasgow, Barish es miembro de la Academia Nacional de Ciencias de Estados Unidos, la Academia Americana de Artes y Ciencias, la Sociedad Física Americana –que presidió en 2011– y la Asociación Americana para el Avance de la Ciencia, entre otras organizaciones.
¿Qué son las ondas gravitacionales? – Por Marcos Gil
Las ondas gravitacionales son una parte consistente de la Teoría de la Relatividad y de los estudios que hizo Albert Einstein para entender el universo, su estructura y funcionamiento. Sin embargo en 1936 nuestro gran hombre dio marcha atrás y dijo que no, que se había equivocado. Pues no: acertó. Y sólo hay una forma de explicarlas. Imaginemos un lago. Nos acercamos a la orilla y tiramos una piedra. El choque forma una ondas en el agua que se expanden desde el punto de impacto en todas direcciones de forma equilibrada hasta que chocan con otros cuerpos. Los cuerpos en el espacio (planetas, estrellas, galaxias, agujeros negros, púlsares, supernovas, etc) son iguales que esas piedras: generan ondas por su gravedad que se propagan por todo el universo.
En lugar de un impacto es la fuerza de la gravedad de esos cuerpos y fenómenos físicos los que generan las ondas. Estas ondas existen porque el espacio-tiempo es un todo, no se compone de elementos separados, sino que se relacionan en un todo que llamaremos “continuo”. El espacio se compone de tres parámetros, y el tiempo sería el cuarto. Este continuo sería, según la Teoría de la Relatividad, curvo, no lineal, y la gravedad sería un producto de esa curvatura: el movimiento de los cuerpos estelares provoca perturbaciones en el continuo, esas ondas gravitacionales igual que la piedra genera ondas en el lago.
Advanced LIGO es el mayor experimento tecnológico para medir esas ondas; su sensibilidad es tan alta que supera con mucho todo lo anteriormente construido. Se compone de dos observatorios coordinados: uno en Hanford (Washington) y otro en Livinsgton (Louisiana). El experimento encontró el eco en ondas de la fusión por impacto de dos agujeros negros a 1.300 millones de años luz (es decir, que colisionaron mucho antes de que la vida en la Tierra fuera vida compleja) con una fuerza desmesurada que combinó el equivalente a la masa de 62 estrellas como nuestro Sol. Pero tenía truco: en realidad fue la combinación de un agujero negro de 36 masas como el Sol más con otro de 29 veces nuestra estrella. ¿Verdad que falta algo en la suma? El equivalente a esos tres soles en realidad se convirtió en un flujo de onda que se expandió por el universo, ondas gravitacionales generadas por la fusión y la multiplicación de la gravedad.