Reseña: “Black Hole Blues” de Janna Levin

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“En algún lugar del universo dos agujeros negros colisionan —tan pesados como estrellas, tan pequeños como ciudades, literalmente agujeros (huecos vacíos) negros (la completa ausencia de luz). Ligados por la gravedad, en sus últimos segundos juntos los agujeros giran miles de veces sobre el punto en el que acabarán tocándose, agitando el espacio y el tiempo hasta que chocan y se funden en un agujero negro más grande. [Los] agujeros negros colisionan en completa oscuridad. [Ningún] telescopio podrá ver tal suceso. [Una] astronauta flotando cerca de ellos no verá nada, [pero] su sistema auditivo se pondrá a vibrar. Ella podría oír la onda. En la más absoluta oscuridad, ella podría oír el timbre del espaciotiempo. [Cuando] los agujeros negros colisionan producen un sonido”.

Así se inicia el primer capítulo del muy recomendable libro de Janna Levin, “Black Hole Blues, and Other Songs from Outer Space,” Alfred A. Knopf (2016) [243 pp.]. Aún siendo física teórica de la Universidad de Columbia, Levin prefiere adentrarse en el lado humano de la ciencia cuando realiza divulgación científica. Los 50 años de historia de LIGO se describen con maestría, como si se tratara de una novela. Los científicos son personas que protagonizan una aventura humana, decorada con grandes hazañas, pero también con enfrentamientos y polémicas diversas. Sin lugar a dudas el tercer libro de divulgación de Levin es ideal para quien desee cotillear en el lado más humano de la ciencia. Yo he disfrutado mucho con este libro y te lo recomiendo firmemente.

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El libro se divide en 16 capítulos tras el prefacio, antes del epílogo, agradecimientos, notas e índice temático. El primer capítulo, “When Black Hole Collide” [pp. 3-6], usa la metáfora auditiva para describir la detección directa de ondas gravitacionales por los interferómetros de la Colaboración LIGO-Virgo. “Este libro es una crónica de las ondas gravitacionales —una registro sonoro de la historia del universo, la banda sonora de una película muda—, un tributo a una quijotesca, épica, angustiosa empresa experimental, un tributo a la ambición de un loco”.

El capítulo 2, “High Fidelity” [pp. 7-24], se centra en la figura de Rainer Weiss, que la autora entrevista en el MIT. La biografía de Weiss nos lleva a la búsqueda directa de las “ondas gravitacionales, que no son ondas sonoras; pero que se pueden convertir en sonido mediante una simple tecnología analógica”. Rai se inició en el campo porque tuvo que impartir un curso de relatividad general, sin saber nada de esta materia. Así que decidió ofrecer un enfoque experimental y se puso a trabajar en la idea de un interferómetro (llamado ifo) que sirviera como reloj de precision para detectar las ondas gravitacionales. Construyó un prototipo de 1,5 metros, pero publicó tan poco que en 1973 no logró financiación de la NSF. En Alemania tenían un ifo de 3 metros, también demasiado pequeño para detectar nada. Finaliza el capítulo con el día en el que Rai conoció a Kip.

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“Kip Thorne es el icono de astrofísico, un relativista brillante y muy influyente. [A] finales de los 1970 quería hacer algo observacional, algo real”. El capítulo 3, “Natural Resources” [pp. 25-41], comienza con la biografía del maestro de Kip, el genial John A. Wheeler, “el abuelo de la relatividad estadounidense, padre de la primera oleada de grandes relativistas estadounidenses”. Wheeler se interesó por el colapso de las estrellas, estudiado en 1939 por Oppenheimer y Snyder, y acuñó el término agujero negro. Se continúa con la biografía de Kip.

“El término onda gravitacional es difícil de comprender y está plagado de ambigüedades. [Einstein] lo concibió en 1916, [pero] renegó de él en 1936. [En] 1962 era obvio para Wheeler que las ondas gravitacionales debían existir, aunque el debate continuaba. [En] 1972 Kip junto a su estudiante Bill Press iniciaron su viaje [hacia] una nueva ventana para observar el universo. [En] 1975 Rai y Kip [propusieron] un programa de investigación en gravitación experimental en el Caltech. [Kip] quería contratar al ruso Vladimir Braginsky, pero se tuvo que conformar Ron Drever”.

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El cuarto capítulo, “Culture Shock” [pp. 42-55], tiene como protagonista a Ron Drever (fallecido el 7 de marzo de 2017). El hilo conductor de todos los capítulos es la vida personal y las relaciones humanas entre los protagonistas de la historia de las ondas gravitacionales. El libro se lee muy bien y la autora tiene una gran maestría en mostrarnos ese lado humano que tienen todos los científicos y que forma parte íntegra de sus logros. Tras múltiples idas y venidas Drever acaba siendo contratado en el Caltech en 1979 por “su inteligentes ideas y su obvia pericia en experimentación. [El] prototipo del Caltech estaba funcionando en 1983, [cuando] Drever logró su plaza de catedrático”.

“Joe Weber” [pp. 56-67], el título del quinto capítulo no deja lugar a dudas sobre quién es su gran protagonista, la gran estrella de un futuro blockbuster sobre ondas gravitacionales. “En 1969 anunció que había logrado algo que todo el mundo pensaba que era imposible: había detectado indicios de una onda gravitacional. [Había] construido una ingeniosa máquina, una barra resonante, una barra de Weber, que vibraba en simpatía con una onda gravitacional, un cilindro de aluminio de unos 2 metros de largo, 1 metro de diámetro, y de unas 3000 libras, que [al contrario que] una cuerda de guitarra, no era fácil de puntear”.

El logro de Weber le convirtió en una estrella mediática a principios de los 1970, comparable a lo que hoy son Hawking o el propio Thorne. A pesar de que algunos, como Wheeler y Kip, estaban a favor, tuvo muchos detractores, como Freeman J. Dyson, que afirmó que era imposible que existiera una onda gravitacional tan intensa como para ser detectable con una barra de Weber. Las barras de Weber de otros científicos no observaron nada. Tony Tyson puso en entredicho el análisis de datos de Weber, que mostró muchas contradicciones impropias de un científico experimental. Como “Tyson dijo sobre Joe: Era un gran ingeniero eléctrico, pero un pésimo estadístico”.

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El capítulo 6, “Prototypes” [pp. 68-78], retorna a los inteferómetros y nos habla del prototipo de brazos de 40 metros en el Caltech. Drever introduce las cavidades de Fabry-Pérot y Weiss la idea de que los espejos estén flotando de forma libre. Así llegamos a “The Troika” [pp. 79-91], el séptimo capítulo, sobre el complejo liderazgo de Drever, Kip y Weiss en LIGO. Un proyecto que iba a costar setenta millones de dólares necesitaba un liderazgo profesional.

La astrónoma Jocelyn Bell Burnell inicia el capítulo 8, “The Climb” [pp. 92-102], donde se nos habla de púlsares, estrellas de neutrones, fuentes binarias de rayos X, agujeros negros, cuásares, agujeros negros supermasivos y la emisión de ondas gravitacionales. “Weber and Trimble” [pp. 103-113], el noveno capítulo, un tributo a Weber como padre por haber llevado las ecuaciones de Einstein al laboratorio, nos lleva a iLIGO (initial LIGO) que se construyó sobre el año 2000 y que no observó ninguna señal.

El capítulo 10, “LHO” [pp. 114-128], está dedicado al “LIGO Hanford Observatory”, nos adentra en su sala de control, en sus brazos de 4 km, en sus espejos de 42 kg, en sus tubos de vacío y en los problemas entre dos egos enfrentados, Rai y Ron; al final se contrata a Robbie Vogt, investigador principal de uno de los experimentos de la misión Voyager, el Sistema de Rayos Cósmicos, para que dirija el proyecto LIGO. “Shunkworks” [pp. 129-146], nos cuenta como Vogt fue clave en la financiación del proyecto, que acabó costando 200 millones de dólares.

A simulation of the collision of two black holes, which merged about 1.3 billion years ago to form a single black hole sixty-two times the mass of the sun. In the first discovery of its kind, the gravitational waves were detected simultaneously last September by the two branches of the Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), located in Hanford, Washington, and Livingston, Louisiana, and announced in February 2016.

El físico Stephen Hakwing y su apuesta con Kip dan inicio al duodécimo capítulo, “Gambling” [pp. 147-157]. El proyecto LIGO tuvo críticos como Jerry Ostriker y John Bahcall, pues parecía imposible que llegara observar algo, igual que Weber. Volviendo a los problemas de dirección de LIGO y a la disolución de la Troika, “Rashomon” [pp. 158-170], el capítulo décimotercero, nos cuenta como Vogt se enfrenta a Ron, que acaba siendo persona non grata en el proyecto. Aún así, el papel de Vogt fue clave en su éxito. El capítulo 14, “LLO” [pp. 171-186], nos describe con precisión el “LIGO Livingston Observatory” y el papel de Rana Adhikari; aparece Gabriela González, la película Magnolia, y Virgo, el interferómetro europeo situado cerca de Pisa, en Italia. En 1994 se nombra director a Barry Barish (físico de partículas que había abandonado el SSC, Superconducting Super Collider, tras ser cancelado).

Barish es el responsable de que el proyecto LIGO tenga dos etapas, initial LIGO (iLIGO) que se inició en 2000 y advanced LIGO (aLIGO) en 2015. Barish abandonó en 2005 para liderar el ILC (International Linear Collider) dejando LIGO bajo la dirección de Jay Marx. Finaliza el capítulo décimocuarto con una mención a la colaboración internacional en la detección de ondas gravitacionales, con LIGO, Virgo, GEO, TAMA, KAGRA y LIGO India.

El capítulo 15, “Little Cave on Figueroa” [pp. 187-196], nos habla de la astronomía multimensajero y finaliza en septiembre de 2015. “The Race Is On” [pp. 197-204], el último capítulo, nos recuerda que Kip siempre pensó que LIGO tendría éxito, pero que muchos otros tuvieron dudas, tras el fracaso de iLIGO. La detección de GW150914 en ER8 protagonizo el epílogo, “Epilogue” [pp. 205-212]; la autora nos relata que en diciembre de 2015 recibió una comunicación confidencial de David Reitze, director de LIGO, sobre la detección de una segunda señal. La verdad yo esperaba un mejor final para este capítulo.

Tras los agradecimientos [pp. 213-216], aparecen los nombres de todos los miembros de LSV que firmaron el artículo del descubrimiento de GW150914 en “The LIGO Scientific Collaboration and the Virgo Collaboration” [pp. 217-224]. Las notas, “Notes on Sources” [pp. 225-232], que yo siempre disfruto porque incluyen citas a artículos científicos y libros para profundizar, están ordenadas por capítulos. Finaliza el libro con el índice de conceptos [pp. 233-241].

En resumen, un libro muy recomendable si prefieres prescindir de las descripciones técnicas y prefieres centrarte en el lado humano de quienes hacen ciencia. Sin olvidar la importancia de los logros, la aventura de la detección de ondas gravitacionales es realmente apasionante. Janna Levin la relata de forma estupenda.


7 Comentarios

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FranciscoFrancisco

Me gustaría entender la perdida de masa de dos agujeros negros al unirse…. Si nada puede escapar de la gravedad infinita…

Francisco R. Villatoro

Francisco, hay que entender tres cosas. La primera, ¿entiendes que una manzana cuando cae se acelera y gana velocidad, es decir, transforma energía potencial gravitatoria en energía cinética? Lo mismo pasa en la fase de caída espiral del sistema binario de agujeros negros, al acercarse se emiten ondas gravitacionales cuya energía proviene de la energía potencial gravitacional que se reduce al acercarse mutuamente (como la manzana y la Tierra).

La segunda, es más difícil de entender y es la formación del merger, el objeto formado por la unión de los dos horizontes de sucesos; en la región central se forma un anillo negro, cuyo colapso es la mayor fuente de energía y de ondas gravitacionales de la fusión. El interior de la anillo está fuera del horizonte y su “cierre” colapso, genera energía que da lugar a ondas gravitacionales.

Y la tercera es la fase de relajación, cuando los dos horizontes se unen en uno solo, resulta que oscila, vibra, con los llamados modos cuasinormales, y su relajación produce energía gravitacional que se radia.

En ninguno de los tres casos sale energía gravitacional fuera de un horizonte, luego nunca escapan ondas del interior de ningún horizonte. Toda la energía que se radia sale de regiones fuera del horizonte, lo que pasa es que la geometría y la topología del horizonte durante la fusión es complicada (muy alejada de la esfera que imaginas para un agujero negro estático). Con un poco de imaginación te será fácil imaginarlo.

MarioMario

Quizás una manera interesante – que yo nunca he visto a día de hoy explicada, al menos en castellano – de transmitir las oscilaciones espaciotemporales en las cercanías de un evento así, sería extrapolarlo a qué le pasaría a ese sufrido y entrañable astronauta, que no se escapa de una, al verse sometido a ellas.

Si nos duele es más entendible, al fin y al cabo somos humanos no?

GroovyGroovy

En realidad Einstein no renegó de las ondas de la gravedad; al parecer fue uno de sus ayudantes, N. Rosen, el que le hizo ver que las ecuaciones de campo relativistas no lineales conducían a una solución de onda plana con una singularidad. Este resultado les hizo pensar que tales ondas no existían. Sin embargo, los revisores del paper que Einstein y Rosen enviaron a PRL (y que fue rechazado) vieron que el artículo demostraba la existencia de ondas cilíndricas y que la singularidad aparecía en función de las coordenadas utilizadas. La matemática tensorial es de tal complejidad que no resulta extraño que Einstein y Rosen se perdiesen en el bosque.

Respecto del aparataje de Weber, hay recordar que no disponía de presupuesto suficiente para medir las contracciones y estiramientos del cilindro de aluminio. Su intención fue utilizar elementos piezoeléctricos, materiales que crean un voltaje entre sus extremos al someterlos a un esfuerzo. Ante la escasez de recursos optó por acoplar cristales de cuarzo al cilindro de aluminio. En cualquier caso, Weber anunció en el verano de 1969 la detección simultánea de un pulso gravitacional medido en Maryland y Chicago.

http://ecos.blogalia.com/historias/76165

Ramiro Hum-SahRamiro Hum-Sah

Gracias por el comentario Groovy.

Francis lo ha dicho otras veces en este blog: “Einstein sabía que sus ecuaciones son de tipo hiperbólico y admiten soluciones tipo onda sí o sí”, Además imagino que en aquella época era muy difícil pensar en una teoría de campos sin soluciones tipo onda.

Pedro MascarósPedro Mascarós

Aprovecho para una duda gravitatoria que tengo.

Es sobre el clásico problema de la esfera perfectamente maciza y simétrica con un enorme hueco en el centro. Sin más interacciones gravitatorias que la propia esfera, dentro de este hueco, un individuo flotaría libremente sin sentir gravedad alguna.

Desde el punto de la Relatividad General, el hecho de que dentro de este hueco, no sienta atracción gravitatoria alguna, está bien claro, tanto matemáticamente, como en su descripción física: dentro del mismo, el espacio tiempo queda plano minkowskiano; todo bien.

Desde el punto de vista Newtoniano, matemáticamente queda también claro, pero en su descripción física, al tratar el tema con conceptos como aceleración o fuerza, conceptos que Francis ha comentado en muchas ocasiones no son ya fundamentales, pues es algo perturbador, es decir, todo ese conjunto de fuerzas que actúan en el sujeto se cancelan…pero claro, aunque se cancelen, siguen ahí, no desaparecen, están ahí como cuando te estiran de los brazos con fuerzas iguales, no te vas hacia ningún lado, pero el tirón está ahí…en este caso como actúan sobre todas las partes de tu cuerpo (sea lo que sea eso de “las partes”), en todas las direcciones posibles, pues no existe ningún sitio privilegiado donde ir…y quedas flotando…lógico… pero raro, da la sensación de que las fuerzas sobran…es decir, que la solución de la RG deja nuestra intuición más tranquila al poner de arena el espacio tiempo.

Bueno, pues mi duda está cuando pienso en la hipótesis de los gravitones en esa situación, me pregunto si desde este punto de vista, donde la arena parece ir a algo más fundamental como las cuerdas o los campos (no lo tengo claro), volveríamos un poco al fantasma, para mí , antiintuitivo Newtoniano, pero esta vez, en vez de con fuerzas, con un montón de gravitones interaccionando con el individuo, tal que el balance de energía total lo deja flotando como si no hubieran gravitones…, ¿sería algo así o estoy diciendo un disparate gordo?

Francisco R. Villatoro

Pedro, ¿cómo explicas con fotones el campo magnético producido por un imán? ¿Cómo explicas con fotones que el campo eléctrico dentro de una esfera conductora sea nulo? La respuesta es la misma con gravitones.

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