Rainer Weiss: 50 años de LIGO y ondas gravitacionales

Con los pies en la tierra, sin pretensiones y dispuesto a hablar sobre su investigación, el físico Rainer Weiss es muy fácil de tratar. Hace cinco años, su trabajo le valió la mitad de los 2017 Premio Nobel de Física, con la otra mitad para Barry Barish y Kip Thorne, por "contribuciones decisivas al detector LIGO y la observación de ondas gravitacionales". con sede en EE.UU. Observatorio de ondas gravitacionales con interferómetro láser (LIGO) es donde las ondas gravitacionales se observaron por primera vez en 2015, confirmando definitivamente la última predicción no probada que queda de la teoría general de la relatividad de Albert Einstein, que tiene un siglo de antigüedad.

A pesar de presagiar su existencia, el propio Einstein dudaba de que estas ondas pudieran ser observables alguna vez porque son extremadamente débiles. La innovadora idea de Weiss de utilizar la interferometría láser finalmente hizo posible que primera observación: de ondas gravitacionales emitidas por la fusión de dos agujeros negros, a 1.3 millones de años luz de distancia de la Tierra – y muchos más que LIGO ha detectado desde entonces. Tomó décadas de esfuerzo de Weiss, sus colegas Nobel y muchos otros, y el descubrimiento representó un pináculo en la física que también marcó el comienzo de una nueva era en la astronomía. Desde el advenimiento de la astronomía observacional, hemos estado escaneando el universo principalmente observando primero la luz visible y luego un amplio espectro de ondas electromagnéticas. Ahora las ondas gravitacionales pudieron proporcionar una nueva forma de sondear muchos fenómenos cósmicos. Solo siete años después del nacimiento de la astronomía gravitacional, ya ha producido muchos conocimientos nuevos y valiosos.

De la Alemania nazi a los EE. UU., pasando por Praga

Cada uno de los tres premios Nobel siguió su propio arco hacia estos éxitos. El camino de Weiss muestra cómo se forman físicos experimentales talentosos, cómo nuevas ideas científicas pueden surgir de direcciones inesperadas y cómo se necesita pura perseverancia para llevar a buen término un experimento de física a gran escala.

Weiss nació en Berlín, Alemania, el 29 de septiembre de 1932, durante el ascenso al poder de los nazis. El padre de Weiss, Frederick, a quien Rainer describe como “un comunista apasionado e idealista” desde muy joven, era médico. Como judío y comunista antinazi, que había testificado contra un médico nazi acusado de mala práctica, Frederick fue detenido por los nazis cuando la madre de Rainer, Gertrude, estaba embarazada de él. A instancias de su esposa cristiana, cuya familia tenía algunos contactos locales, Federico fue liberado y enviado a Praga. Una vez que nació Rainer, Gertrude viajó con su nuevo bebé para reunirse con Frederick en Checoslovaquia, donde la pareja tuvo otra hija, Sybille, en 1937.

Pero cuando el Acuerdo de Munich de 1938 permitió que las tropas alemanas ingresaran a Checoslovaquia, la familia tuvo que escapar una vez más. “Escuchamos la decisión en una radio mientras estábamos de vacaciones en Eslovaquia y nos unimos a un gran grupo de personas que se dirigían a Praga para intentar obtener una visa para emigrar a casi cualquier otro lugar del mundo que aceptara judíos”, recuerda Rainer en su biografía Nobel. . La familia se mudó a los EE. UU. en 1939. Según la ley de inmigración de ese momento, esto solo era posible debido a la profesión de Frederick y porque una "mujer muy maravillosa", como la llama Weiss, de la familia filantrópica Stix de St. Louis, depositó una fianza para garantizar que los Weisses no serían una carga para la comunidad.

Weiss se crió en la ciudad de Nueva York, donde inicialmente asistió a la escuela pública. En quinto grado, recibió una beca, a través de una organización local de ayuda a los refugiados, para unirse Escuela secundaria de Columbia – una escuela privada en el centro de Manhattan, que en un momento se asoció con la preparación de estudiantes para Columbia Uiversity. La música, la ciencia y la historia eran sus cursos favoritos y, cuando era adolescente, construía sistemas de audio personalizados de alta fidelidad o "hi-fi" para los amantes de la música clásica.

Ese interés y su propia curiosidad eventualmente lo llevaron a la física. Buscando una reproducción de sonido perfecta, Weiss trató de eliminar electrónicamente el ruido de fondo que hace la aguja del fonógrafo cuando se mueve a lo largo de la ranura en un disco anticuado, que estropeaba la música. Pero sus esfuerzos fracasaron y decidió ir a la universidad para aprender lo suficiente que le permitiera resolver el problema. Esa educación comenzó en Massachusetts Institute of Technology (MIT) en el 1950.

De la electrónica a la física, por un desvío

Como estudiante de ingeniería eléctrica en el MIT, se esperaba que Weiss aprendiera sobre generadores y líneas de transmisión antes de poder estudiar la electrónica que realmente le interesaba. Este plan rígido no era de su agrado, por lo que en segundo año se cambió a física, porque “tenía menos requisitos” y un plan de estudios más flexible. Pero eso tampoco funcionó de inmediato. En 1952, Weiss se enamoró de una joven pianista. La relación no terminó bien y, con el corazón roto, Weiss suspendió todos sus cursos y tuvo que dejar el MIT.

Pero no todo estaba perdido. En la primavera de 1953, regresó al MIT como técnico trabajando en el Laboratorio de Haz Atómico del físico Jerrold Zacharias, que había desarrollado el primer reloj atómico. “La ciencia que se hacía en ese laboratorio era exquisita”, recuerda Weiss. “Los experimentos allí analizaban las propiedades de átomos y moléculas individuales aislados que no se veían perturbados por los sistemas vecinos. Cada átomo era igual al siguiente y era posible hacer preguntas fundamentales sobre su estructura y las interacciones que los mantenían unidos”. Lo que comenzó como un rol que ayudaba a los estudiantes de posgrado con sus proyectos de tesis finalmente llevó a Weiss a trabajar directamente con Zacharias en el desarrollo de la reloj de haz atómico de cesio, que eventualmente pasaría a ser adoptado como estándar de tiempo para la Oficina de Estándares (ahora el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología) y la Marina de los EE. UU.

Bajo la tutela de Zacharias, Weiss completó su licenciatura en física, luego un doctorado en 1962y aprendió sobre la experimentación de alta precisión, un hilo conductor que condujo a LIGO. Otro tema clave surgió cuando Weiss trabajó como investigador asociado con el astrónomo y físico Robert Dicke en la Universidad de Princeton, a quien Weiss llama “uno de los héroes de mi vida”. Dicke y Weiss buscaron desarrollar una versión moderna del Experimento de Eötvös, para comprender el principio de equivalencia de la relatividad general demostrando la equivalencia de masa inercial y gravitatoria. Como la nueva teoría de la gravitación de Dicke combinaba un campo escalar con el campo tensorial de la relatividad general, su idea era construir un experimento que pudiera medir cómo vibraría toda la Tierra si pasara una onda gravitacional. El objetivo del experimento era medir el espectro de la radiación gravitatoria escalar, pero descubrieron que la sensibilidad de su gravímetro de cuarzo estaba severamente limitada debido al ruido geofísico. A pesar de que el estudio no tuvo éxito, Weiss aprendió técnicas experimentales en las que Dicke había sido pionero y, en última instancia, resultarían esenciales para LIGO y muchos otros experimentos de física también. De hecho, Weiss descubrió que esos dos años en Princeton “fueron profundamente importantes en mi desarrollo científico”.

Después de unirse a la facultad de física del MIT como profesor asistente en 1964, Weiss trabajó en un proyecto cosmológico que midió el espectro del fondo cósmico de microondas (CMB), la reliquia del Big Bang que aún llena el universo. Contribuyó a la investigación estableciendo que el CMB sigue una curva de cuerpo negro virtualmente perfecta con una temperatura de fuente de 2.7K, cuyo descubrimiento condujo a una Premio Nobel 2006 para los principales científicos, John Mather y George Smoot.

Midiendo la gravedad en un salón de clases

Weiss siguió pensando en las ondas gravitacionales, especialmente cuando se le pidió que presentara un curso de relatividad general en el MIT. Esto no fue fácil. Las matemáticas de la relatividad general son abrumadoras, y los cursos que enseñaban el tema eran más matemáticos que físicos. Al discutirlo hoy, Weiss dice: “No soy un teórico. Soy plomero… plomero de vacío, plomero electrónico, pero plomero”. Así que él y sus alumnos aprendieron matemáticas juntos, pero, inesperadamente, su experiencia experimental se volvió muy significativa.

Como explica Weiss, en ese momento Joseph Weber de la Universidad de Maryland estaba tratando de detectar ondas gravitacionales midiendo el cambio de longitud de grandes cilindros de aluminio a medida que pasa una ola. Cuando los estudiantes le preguntaron a Weiss sobre tales medidas, se le ocurrió una propuesta pedagógica. pensamientos experimento para mostrar en principio cómo podrían hacerse. Coloque dos masas a cierta distancia en el espacio libre, una con un láser pulsado y la otra con un espejo. Ahora mida el tiempo de viaje de ida y vuelta de la luz láser y, por lo tanto, la distancia. Si una onda gravitacional que pasa cambia la distancia, las mediciones de tiempo suficientemente precisas mostrarían el efecto. Dado que todas las mediciones se realizan en la ubicación espaciotemporal del láser, el cálculo de la relatividad general se vuelve sencillo; de hecho, Weiss lo asignó como un problema de clase.

La supuesta detección de ondas gravitacionales de Weber en 1969 nunca se replicó, pero el ejemplo que inspiró su trabajo se convirtió en LIGO. Weiss mejoró la idea original añadiendo una segunda trayectoria de haz con un espejo en un extremo, colocado en ángulo recto con la primera trayectoria en forma de "L" con un divisor de haz en la unión. Se trata de un interferómetro de Michelson, que realizó mediciones ultraprecisas de la velocidad de la luz en el experimento de Michelson-Morley de 1887 y también del espectro CMB. En relatividad general, una onda gravitatoria que viaja perpendicular al plano de los brazos alargaría uno y contraería el otro, cambiando la forma en que interfieren las ondas de luz en los dos brazos. Esto, concluyó Weiss, sería mucho más sensible que medir el tiempo de viaje a lo largo de un solo camino.

Weiss recuerda cómo en el verano de 1971 "se sentó en una pequeña habitación calculando todas las cosas que interferirían con ese experimento", incluidas las fuentes de ruido. Su resultado fue notable: con brazos de varios kilómetros de largo, sería posible medir cambios de distancia tan pequeños como 10^-18 m – apenas una milésima parte del tamaño de un protón – cuando las ondas gravitacionales que pasan estresan el espacio para causar una tensión de 10^-21.

Banco de pruebas y primeras observaciones

Algunos de los colegas de Weiss se mostraron escépticos acerca de las ondas gravitacionales, pero él continuó desarrollando su idea. Recibió verificación experimental cuando pequeños interferómetros de prueba construidos en su laboratorio y por un grupo alemán confirmaron sus cálculos. Un apoyo más amplio llegó después de 1975, cuando Weiss se volvió a conectar con un conocido de sus días en Princeton, el El físico teórico de Caltech Kip Thorne. Al ver el potencial de la investigación de ondas gravitacionales, Thorne defendió la idea de Weiss en Caltech. En 1979 el Fundación Nacional de Ciencias financió a Caltech y al MIT para llevar a cabo un estudio de viabilidad de la detección interferométrica. En 1990, apoyó a LIGO como una operación de Caltech-MIT con la subvención más grande que jamás haya otorgado. Esto permitió la construcción de detectores idénticos con brazos de 4 km de largo en Hanford, Washington y Livingston, Luisiana, para estudios de coincidencia para confirmar cualquier avistamiento. Estos incorporaron muchos conceptos técnicos desarrollados por el físico experimental Ronald Drever de Caltech.

Después de que LIGO comenzara a operar en 2002, logró la sensibilidad prevista, pero durante nueve años no se detectaron ondas gravitacionales. Luego, los dispositivos se mejoraron significativamente, con un mejor aislamiento de las fuentes de ruido, lo que resultó en “LIGO avanzado” (aLIGO) más de cinco años después. Con sensibilidad mejorada 10 veces, en 14 de septiembre de 2015, LIGO hizo la primera observación de ondas gravitacionales que provenían de dos agujeros negros fusionados, un descubrimiento milagroso ya que la máquina aún se estaba calibrando para la primera ejecución oficial (Mundo de la física 2017; 30 (10) 33).

Unos años más tarde, en 17 de agosto de 2017, aLIGO realizó la primera observación de ondas gravitacionales de dos estrellas de neutrones que se fusionan (también participó el detector de ondas gravitacionales Virgo en Italia). Estos no fueron hechos aislados. Al final de su última carrera de observación, que se completó a fines de 2021, aLIGO había informado un total de 90 observaciones de fusiones de dos agujeros negros (la mayoría), dos estrellas de neutrones, o un agujero negro y una estrella de neutrones. 

Mirando hacia atrás, mirando hacia adelante

Al contemplar estos primeros siete años de astronomía gravitacional, Weiss está jubiloso. “Creo que LIGO ha sido un tremendo éxito”, dice, elogiando en particular cómo valida la relatividad general y la astrofísica de agujeros negros. Los resultados de LIGO muestran que entendemos los agujeros negros lo suficientemente bien como para predecir los detalles de su interacción de dos cuerpos, que dentro de la relatividad general es tan difícil de calcular como el problema de los tres cuerpos en la física clásica. Otro resultado es el catálogo de LIGO de interacciones entre agujeros negros de diferentes masas, que da pistas sobre cómo podrían convertirse en agujeros negros supermasivos en los centros de las galaxias.

Weiss también destaca un evento en particular que "causó el mayor revuelo [y] produjo tanta ciencia que es increíble". Las dos estrellas de neutrones en colisión observadas en 2017 también generaron radiación electromagnética, desde rayos gamma hasta ondas de radio, que fue rastreada por observatorios de todo el mundo (ver "Un nuevo mensajero cósmico” de Imre Bartos). Este excelente ejemplo de astronomía de "múltiples mensajeros" arrojó una ubicación precisa para el evento; mostró que la interacción produjo oro y platino, dando una nueva visión de cómo las estrellas forman elementos pesados; confirmó que las ondas gravitacionales viajan exactamente a la velocidad de la luz; y proporcionó una nueva forma de medir la constante de Hubble y tal vez puso fin a las incertidumbres actuales sobre su valor.

El entusiasmo de Weiss crece cuando se le pregunta sobre el futuro de la astronomía gravitacional. Un componente sería el interferómetro explorador cósmico, sugerido por Matthew Evans y Narciso Mavalvala en el MIT. Weiss apoya firmemente este dispositivo de próxima generación, cuyos brazos de 40 km de largo lo harían 10 veces más sensible que el LIGO avanzado. Los científicos europeos están considerando el triangular telescopio einstein con brazos de 10 km de largo, y la Agencia Espacial Europea propone lanzar el triangular Antena espacial de interferómetro láser (LISA) en la década de 2030. Sus tres naves espaciales, separadas por 2.5 millones de kilómetros y que llevan láseres y espejos, formarían un detector hipersensible.

Cada detector responderá a diferentes frecuencias de ondas gravitacionales, que dependen inversamente de la masa del objeto radiante. Así como la astronomía regular usa diferentes partes del espectro electromagnético para estudiar diversos fenómenos celestes, estamos comenzando a ver observatorios gravitacionales sintonizados para detectar diferentes clases de eventos gravitatorios. Para los agujeros negros, las posibilidades van desde la búsqueda de pequeños agujeros negros primordiales hipotéticos hasta comprender cómo se relacionan los agujeros negros supermasivos con la formación de galaxias. Las ondas gravitacionales de las estrellas de neutrones fusionadas profundizarán nuestro conocimiento de la evolución estelar y la materia nuclear densa. También pueden surgir de púlsares para complementar lo que las ondas electromagnéticas revelan sobre ellos. Más especulativamente, algunos investigadores sugieren que los métodos de múltiples mensajeros podrían mostrar si el agujero negro supermasivo en el centro de nuestra propia galaxia es realmente un extremo de un agujero de gusano.

Lo que más emociona a Weiss sobre estos próximos detectores es que podrían "hacer ciencia espectacular al llevar el campo a la cosmología, el estudio de todo el universo". Según explica, el teórico ruso Alexéi Starobinskiǐ ha demostrado que si una fluctuación del vacío inició el cosmos, entonces, a medida que el universo experimentó una inflación cósmica rápida, la aceleración inimaginable produciría muchas ondas gravitacionales de baja frecuencia. Al igual que la radiación de fondo cósmica, estos formarían un fondo universal residual, pero se originarían en un tiempo muy cercano al Big Bang y llevarían nueva información sobre procesos tempranos como la creación de materia oscura. Estas ondas serían difíciles de detectar, pero los investigadores están planeando una combinación de detectores terrestres y espaciales que formarían una nueva herramienta para abordar algunas cuestiones importantes en física, astronomía y cosmología.

Pero mientras reflexiona sobre su larga carrera y su investigación futura, Weiss no desea resumir las cosas diciendo simplemente "No soy ese tipo de persona". Puede ser decepcionante no tener un fragmento de sonido final, pero luego, en su compromiso de décadas para construir LIGO con éxito, en su visión de seguir avanzando en la ciencia de las ondas gravitacionales y en su pasión contagiosa por ambos, Rainer Weiss ya ha dicho elocuentemente todo lo que necesita decir.