Columna de Astronomía | Gravitación cuántica, ondas gravitacionales y rayos gamma

Los físicos teóricos tenemos la obsesión de reducir la complejidad del universo a una teoría lo más simple posible. El ejemplo más accesible de esto fue la mecánica de Newton, expresada en sus tres leyes, con las cuales pudo describir los movimientos de los planetas y satélites en el Sistema Solar, así como proyectiles y otros objetos en nuestro entorno, unificando así la física de la Tierra y del espacio.

Por supuesto, muchos fenómenos se escapan de la teoría de Newton, y hubo que esperar hasta la primera mitad del siglo XX para que quedaran establecidas las dos teorías fundamentales aún vigentes: la Relatividad General de Einstein, que describe fenómenos a grandes escalas, donde el ingrediente físico principal es la gravitación, y la Física Cuántica, que describe el mundo microscópico de moléculas, átomos, núcleos y partículas elementales. Ambas han tenido grandes éxitos, prediciendo con exactitud fenómenos hasta entonces desconocidos.

Aun así, para un físico teórico es muy frustrante tener dos teorías fundamentales en vez de una sola. Soñamos con una "gravitación cuántica", que unifique a ambas, dando una sola base para la descripción del universo como un todo. Sus predicciones diferirían fuertemente de las actuales teorías sólo en ámbitos hasta ahora inaccesibles, como agujeros negros minúsculos (que según Hawking se evaporarían en forma casi instantánea) o colisiones entre partículas muchas veces más energéticas que las del Gran Colisionador de Hadrones (LHC). Esto ha impedido tener una guía experimental para la construcción de esta teoría.

Sin embargo, si podemos hacer mediciones muy precisas, quizás podemos obtener pistas incluso lejos de tales ámbitos. Un ejemplo de esto son las recientes detecciones de ondas gravitacionales, una de las cuales fue acompañada por ondas electromagnéticas, en particular rayos gamma.

Sabemos que las ondas electromagnéticas pueden ser interpretadas como una colección de partículas llamadas fotones y, de la misma manera, se esperaría que las ondas gravitacionales puedan ser descritas como una colección de "gravitones", cuya energía es proporcional a la frecuencia de las ondas en cuestión. En las teorías vigentes, estas partículas no tienen masa y se propagan todas a la misma velocidad (la velocidad de la luz). Si tuvieran masa, su velocidad sería mayor mientras más alta su energía.

Como el pulso de ondas gravitacionales de la fusión de dos agujeros negros contiene distintas frecuencias, algunas viajarían más rápido que otras. Como cada uno de estos pulsos viajó durante cientos o miles de millones de años, una pequeñísima diferencia de velocidad habría hecho que el pulso se "desparramara". Sin embargo, los pulsos detectados por LIGO tienen exactamente la forma predicha, lo que indica que la diferencia entre los tiempos de viaje de las frecuencias más altas y las más bajas es bastante menor que una décima de segundo (sobre un total de cientos o miles de millones de años). Es decir, las velocidades difieren en menos de una parte en 10¹⁷ (un uno con diecisiete ceros), lo cual implica que la masa del gravitón debe ser por lo menos 10²⁸ veces menor que la masa del electrón. Por otro lado, haber detectado un "destello de rayos gamma" sólo 1,7 segundos después del pulso de ondas gravitacionales de la fusión de un par de estrellas de neutrones indica que la velocidad de las ondas gravitacionales es (casi) idéntica a la de los rayos gamma.

Se especula que, para fotones de muy alta energía, efectos cuánticos podrían invalidar la Relatividad de Einstein, de manera que su velocidad dependería de su energía. Esto podría ser verificado en el futuro por observaciones de núcleos galácticos activos o destellos de rayos gamma por el Cherenkov Telescope Array (CTA), que esperamos comience a construirse este año en la Región de Antofagasta.