Borja Sorazu, físico: “Con la detección de ondas gravitacionales abrimos una puerta a lo desconocido”

Borja Sorazu es uno de los científicos que han colaborado en un hallazgo extraordinario de la ciencia en los últimos años. Se trata de la detección de ondas gravitacionales, lo que supone la constatación empírica de las teorías al respecto de Einstein. La teoría formulada en 1916 proponía que los sucesos más violentos del Universo tenían que provocar perturbaciones en el espacio-tiempo que, como las ondas que causa una piedra al caer en un estanque, se propagarían por todo el Cosmos.

Este descubrimiento acaba de recibir el premio Princesa de Asturias de Investigación Científica y Técnica de 2017

El gran descubrimiento de la detección de las ondas gravitacionales

– ¿En qué cambia la detección de las ondas gravitacionales la percepción que tenemos del universo?

Uno de los fundamentos de la teoría de la relatividad general de Einstein, publicada en 1915, es el cambio radical en la forma de entender la interacción gravitatoria. En el modelo clásico de Newton, la gravedad es una fuerza que actúa instantáneamente a distancia. Einstein corrigió este modelo diciendo que la gravedad es el resultado de la distorsión del espacio-tiempo. Esta distorsión es causada por la distribución de masa y energía. Es el movimiento de los cuerpos en este espacio-tiempo curvo lo que entendemos como gravedad. Cuando un objeto es acelerado, emite ondas en el tejido mismo del espacio-tiempo, de forma similar a las ondas de un estanque. Estas ondas son las ondas gravitacionales y se propagan a la velocidad de la luz.

El espacio-tiempo es tan rígido que incluso los detectores más sensibles jamás construidos solo son capaces de percibir las ondas gravitacionales generadas por objetos astronómicos muy masivos y altamente acelerados. Este fue el caso de la primera detección el 14 de septiembre del 2015. La señal de las ondas gravitacionales observadas solo duró una fracción de segundo y fueron generadas hace más de mil millones de años durante el abrazo final de dos agujeros negros, cada uno de una masa 30 veces la de nuestro sol. Justo antes de fundirse en un solo agujero negro masivo, viajaban a la mitad de la velocidad de la luz. Einstein creía que las ondas gravitacionales eran demasiado débiles para poder ser detectadas, y nunca creyó en la existencia de agujeros negros.

Esta detección es importante por varios motivos. Por primera vez, somos capaces de sentir el universo a través de señales que no son de tipo electromagnético y así poder sondear el 98% del universo que no podemos ver. La información que las ondas gravitacionales proporciona es complementaria a la de las ondas electromagnéticas. Por ejemplo, mientras que estas últimas se generan en la superficie de los objetos celestes, las ondas gravitacionales proporcionan información del volumen completo de sus fuentes. Además, se propagan sin ser afectadas por la materia que se encuentran en su camino, a diferencia de las ondas electromagnéticas. La señal que detectamos recientemente proporcionó información imperturbada de los dos agujeros negros que la generaron y del agujero negro final tras la fusión, aun a pesar de que esa señal atravesó el 10% del universo conocido.

Pero no solo eso, esta detección es la primera verificación de la teoría de la relatividad general en condiciones extremas de gravedad y velocidad.

la primera observación directa de ondas gravitacionales es un hito en la historia de la humanidad, iniciando una nueva rama de la astronomía con una nueva forma de observar el universo

Esta señal está asociada al evento más energético jamás observado. Durante una fracción de segundo, la energía emitida fue 50 veces superior a la energía emitida por el resto del universo observable. Si hemos aprendido tanto de una sola observación, ¿cómo podemos imaginar lo que nos espera en futuras observaciones? Con la detección de ondas gravitacionales hemos abierto una puerta a lo desconocido, que sin lugar a dudas será decisivo en el avance de la física fundamental, astronomía, astrofísica y cosmología.

– ¿Dejarán de ser los agujeros negros un gran enigma del Universo?

Las señales de ondas gravitacionales observadas, hasta ahora, por los detectores LIGO-avanzado han sido generadas por la fusión de sistemas binarios de agujeros negros. Estas observaciones son las primeras medidas que el ser humano ha hecho de señales provenientes directamente de agujeros negros.

Hasta ahora, los agujeros negros eran en cierta forma ficticios, pues la única percepción que teníamos de su existencia era indirectamente a través de su interacción con el entorno. Por ejemplo, observaciones de rayos X debidas a la interacción de los agujeros negros con su entorno gaseoso, o perturbaciones en las trayectorias de estrellas en los centros galácticos. Las señales observadas por los detectores LIGO han confirmado la existencia real de estos objetos fantásticos, predichos por la maravillosa teoría de la relatividad general de Einstein.

Y esto solo es el principio, una pequeña muestra del conocimiento hasta ahora inexplorable. Solo accesible con el nuevo sentido que los detectores de ondas gravitacionales nos proporcionan. Una nueva herramienta fundamental de exploración del Universo físico más allá de los métodos convencionales.

– El LIGO ha estado parado durante unos años para mejorar su funcionamiento, ¿cómo ha contribuido dicho parón a replantear el proyecto?

Los dos detectores LIGO (uno en Hanford, en el estado de Washington y el otro en Livingston, en el estado de Luisiana) comenzaron a tomar datos en 2002, durante cinco periodos de observación que finalizaron en 2007. Los periodos de observación se alternan con actividades de optimización de los detectores con el objetivo de alcanzar su sensibilidad de diseño, tarea ardua y extremadamente compleja. En LIGO inicial este objetivo se cumplió durante el quinto periodo de observación (que se inició a finales del 2005). Una vez acabado este periodo de observación, y durante año y medio, se sucedieron una serie de mejoras incrementales moderadas que tenían por objetivo duplicar la sensibilidad de los detectores y confirmar tecnologías que serían fundamentales en la siguiente generación de detectores.

El conocimiento proporcionado por estas detecciones será decisivo en el avance de la física fundamental, astrofísica y cosmología, permitiéndonos explorar importantes cuestiones

En julio del 2009 se inicia el sexto periodo de observación que finaliza en octubre del 2010. Durante estos seis periodos de observación no se detectaron ondas gravitacionales. Lejos de ser un fracaso, al tratarse de uno de los mayores retos acometidos por la ciencia de medición de alta precisión, esta década sirvió para cimentar la experiencia y el desarrollo de nuevas técnicas que se implementarían en la segunda generación de estos detectores. Durante los cinco años siguientes se implementaron mejoras mayores en infraestructura, diseño y tecnología. A mediados de septiembre del 2015, LIGO avanzado comienza su primer periodo de observación con una sensibilidad más de tres veces superior a la generación anterior. Tan solo dos días después de empezar a tomar datos, el 14 de septiembre realiza la primera observación directa de ondas gravitacionales. Un hito en la historia de la humanidad, iniciando una nueva rama de la astronomía con una nueva forma de observar el universo, complementaria a los telescopios electromagnéticos y a los observatorios de neutrinos.

Durante los próximos tres años llevaremos a cabo la larga y complicada tarea de mejorar la sensibilidad de los detectores de segunda generación hasta alcanzar sus sensibilidades de diseño, que es tres veces superior a la sensibilidad del primer periodo de observación. Esta mejora en sensibilidad debe alternarse con periodos de observación con el objetivo de detectar nuevas fuentes de ondas gravitacionales. De hecho, en la actualidad se sucede el segundo periodo de observación que se inició a finales de noviembre del 2016.

El proyecto LIGO está en un conflicto permanente de querer observar nuevas señales de ondas gravitacionales y querer mejorar la sensibilidad para poder acceder a un mayor número de fuentes de señal.

– La calibración de un sistema de este tipo no debe ser fácil. ¿Puede ponernos un ejemplo de la sensibilidad del mismo en sus mediciones?

Los detectores de ondas gravitacionales LIGO-avanzado forman parte de uno los experimentos de Física más sofisticados del mundo y son los instrumentos más sensibles jamás construidos. Detectan las ondas gravitacionales a través del movimiento que causan al interactuar con dos espejos suspendidos a kilómetros de distancia. El reto es que este movimiento es fantásticamente pequeño, 1/10000 el diámetro de un protón y debemos asegurarnos que nada que no sea ondas gravitacionales mueva los espejos más que esta distancia. Más exactamente, durante el primer periodo de observación los detectores LIGO-avanzado eran capaces de detectar variaciones en la posición de los espejos de 3.5*10-20 m/Hz (entre 100 y 300Hz). Para alcanzar esta sensibilidad, equivalente a medir el diámetro de nuestra galaxia con la precisión del tamaño de una pelota de baloncesto, los instrumentos operan al borde de los limites fundamentales de la Física.

– Con esta capacidad de medición, ¿es posible que en los próximos años se detecten nuevos fenómenos ocurridos en el Universo? ¿Cómo cambia esto nuestra forma de percibir el espacio?

En los próximos años, a medida que los detectores LIGO y Virgo avanzados se acercan a su sensibilidad de diseño, observaremos de forma regular algunos de los fenómenos más energéticos y violentos del universo. Por ejemplo, en los próximos cinco años esperamos haber detectado miles de sistemas binarios de agujeros negros, cientos de sistemas binarios de estrellas de neutrones y de sistemas formados por agujeros negros y estrellas de neutrones, supernovas y multitud de otras fuentes por ahora desconocidas.

El conocimiento proporcionado por estas detecciones será decisivo en el avance de la física fundamental, astrofísica y cosmología, permitiéndonos explorar importantes cuestiones, como por ejemplo cómo se forman los agujeros negros, si la relatividad general es la descripción correcta de la gravedad, o cómo se comporta la materia bajo condiciones extremas.

– Para procesar todos los datos que recogen se necesitará una infraestructura, ¿qué recursos de computación y comunicaciones tienen disponibles?

La susceptibilidad de los detectores de ondas gravitacionales al ruido ambiental e instrumental, se almacena en un inmenso array de monitores ambientales (sismómetros, acelerómetros, micrófonos, viento, voltaje de red, radiofrecuencia, magnetómetros, inclinación, etc) e instrumentales. Centenares de miles de canales de datos acumulan ingentes cantidades de información, que en muchos casos se han de procesar en tiempo real, para identificar comportamientos irregulares en el detector o interferencias ambientales y así evitar posibles interpretaciones erróneas.

El proceso completo de operación de los detectores y tratamiento íntegro de los datos requiere de enormes recursos computacionales, solo posibles en los últimos 10 años

Por su parte la extracción de las minúsculas señales de ondas gravitacionales del ruido del detector, requiere del desarrollo óptimo de algoritmos de búsqueda específicos a cada proceso físico, pues cada proceso produce señales de ondas gravitacionales muy características y distintas entre sí.

El consorcio internacional de LIGO requiere del uso de múltiples superordenadores para el almacenamiento y el análisis de los datos. Como ejemplo, el superordenador más potente al que tiene acceso se sitúa en Hannover (Alemania) y se llama ATLAS. Este superordenador está compuesto de 3.330 nodos de computación con más de 4 CPUs cada uno, 850 GPUs y discos duros con capacidad de almacenamiento de 5 Petabytes. Su potencial computacional es de 400 TeraFLOP por segundo.

– Cuéntenos un poco qué es el LIGO y cuál es su objetivo, ¿tiene que ser complicado trabajar coordinadamente con un grupo de más de mil personas?

El consorcio internacional de LIGO está compuesto por más de mil científicos de más de 90 instituciones en 16 países. Así que las teleconferencias están a la orden del día. Los grupos de investigación se dividen en diversas áreas especializadas: instrumentación e ingeniería, análisis de datos, caracterización de los detectores, teoría de la relatividad general. Cada una de estas áreas esta a su vez dividida en multitud de grupos de trabajo.

Existe una estructura sólida de comités y subcomités que coordina este trabajo de forma óptima. Así como la integración y colaboración con otros consorcios internacionales de la comunidad de detectores de ondas gravitacionales, por ejemplo el detector japonés KAGRA y el detector Europeo VIRGO.

Muchos se sorprenden de mi respuesta a la pregunta ‘Objetivo completo, ¿y ahora qué?’ El objetivo de LIGO y de los otros detectores de ondas gravitacionales no es la detección en sí, sino el desarrollo de los detectores y su conversión en observatorios astrofísicos. La primera detección es solo el comienzo.

Un acometido tecnológico de este nivel requiere de la colaboración internacional. En los próximos años veremos otros detectores de segunda generación unirse a los LIGO-avanzados para formar una red global de detectores. Más detectores ayudan en la triangulación de las fuentes astronómicas y en la certeza y amplitud de la señal de futuras detecciones.

Cuando esta red alcance su sensibilidad de diseño, nos espera una revolución en nuestra compresión del universo

Revolución que requerirá de instrumentos aún más sensibles que nos permitan observar más lejos en el universo. Nuevas generaciones de detectores, en Tierra y en el espacio, nos permitirán hacer astronomía de alta precisión, ampliando considerablemente el abanico de frecuencias a las que seremos sensibles, lo que nos permitirá observar fuentes de distinta naturaleza.

– ¿Qué sintió al revisar los datos y ver la comprobación empírica de una teoría de Einstein?

Estos detectores operan en los límites de la física fundamental y eso conlleva una superación continua de nuevos retos. Inconscientemente con el tiempo uno se abstrae del todo que es el detector y del objetivo final, que en cierta medida parece imposible. La primera generación de detectores estuvo observando durante varios años sin fortuna, y no esperábamos nada distinto durante el primer periodo de observación de la segunda generación de detectores. Así que cuando observamos por primera vez la señal muchos fuimos escépticos y solo cuando confirmamos indiscutiblemente que era real es cuando me di cuenta de lo que habíamos conseguido, acabábamos de iniciar un nuevo capítulo en la historia de la ciencia y en el conocimiento de la humanidad. El anuncio de la detección y el interés justificado de la prensa mundial fueron y siguen siendo muy emotivos.

No solo acabábamos de validar uno de los pilares de la física moderna (teoría de la relatividad general), acabábamos de confirmar una nueva forma de observar el Universo, con el potencial de descubrir sistemas astronómicos ahora inimaginables

– Cuéntenos un poco su carrera como investigador, ¿qué le llevó después de tener dos licenciaturas en el País Vasco a realizar el doctorado en Escocia?
Tras terminar mi doble licenciatura en Física e Ingeniería Electrónica en la Facultad de Ciencias de la UPV (verano del 2001), solicité becas de doctorado a varias universidades del Reino Unido. El país de destino lo elegí no solo por el prestigio de sus universidades sino también por el idioma.

Entre las varias opciones que recibí, me decanté por la beca de la Universidad de Strathclyde (Glasgow, Reino Unido) junto con una beca del Gobierno Vasco (Programa de Becas para formación de investigadores) para estudiar un doctorado en Optoelectrónica en su departamento de Ingeniería Electrónica y Eléctrica. Una vez finalicé el doctorado (2006), tuve la oportunidad de emplear mi experiencia en ingeniería y física experimental en la detección de ondas gravitacionales. Ya llevo 11 años trabajando en el Instituto de Investigación Gravitacional en el departamento de Física y Astronomía de la Universidad de Glasgow (Reino Unido), desde donde he contribuido al desarrollo de los detectores y a las primeras detecciones.

– ¿Es más fácil dedicarse a la investigación fuera de España? ¿Están más reconocidos los científicos, a nivel profesional y social?

Dedicarse a la investigación pública no es fácil en ningún país. Esta profesión conlleva inestabilidad laboral (a menos que tengas la fortuna de acceder a una plaza académica permanente), movilidad y largas jornadas laborales que repercuten la estabilidad familiar.

Estos sacrificios se compensan en parte por tener la oportunidad de dedicarse a una profesión que avanza tu conocimiento personal y el conocimiento global de la humanidad

Es cierto que el acceso a recursos es quizás más favorable en el Reino Unido y otros países europeos que en España. El mayor reconocimiento social de esta profesión en esos países, está ligada a un más claro entendimiento de su importante contribución al desarrollo económico, tecnológico, social y cultural de los países que la cultivan.

– ¿Qué haría falta para que los talentos como usted no tuvieran que irse fuera a desarrollar su trabajo?

La labor científica requiere de la interacción con otras ideas y recursos y es por ello que el científico debe estar dispuesto a viajar, no solo para presentar su trabajo en conferencias internacionales, sino también para colaborar con otros grupos de investigación durante largos periodos de tiempo. Aún más cierto en el caso de grandes colaboraciones internacionales como el consorcio internacional de LIGO.

Por tanto, la movilidad en la profesión investigadora es casi obligatoria y beneficia su formación. El problema con la fuga de cerebros es que el investigador, una vez formado, no tiene la opción de asentarse en su país de origen por la falta de recursos y oportunidades con los que desarrollar su labor investigadora.

– ¿Qué le parecen iniciativas como la de Einstein@Home para que los aficionados a la ciencia puedan donar la capacidad de cálculo de sus ordenadores cuando están inactivos para contribuir a la ciencia?

Por supuesto que estoy a favor de estos proyectos de computación distribuida. De hecho Einstein@home fue desarrollado por el consorcio internacional de LIGO. Cuantos más recursos dispongamos para desarrollar nuestra labor investigadora, mayor y más rápido será el avance del conocimiento humano. La investigación pública está subvencionada en su mayor parte a través de nuestros impuestos. Así pues, indirectamente todos formamos parte de su avance. Proyectos como Einstein@home permiten a cualquiera (aficionado o no a la ciencia) sentirse un contribuyente más directo e involucrado.

Otro fantástico ejemplo de contribución popular a la detección de ondas gravitacionales es el proyecto Gravity-Spy, donde podéis contribuir a la clasificación de señales transitorias observadas en los detectores. Hay que tener en cuenta que los detectores LIGO-avanzado son uno de los instrumentos más sensibles y complejos jamás creados, por lo que son susceptibles a ruido ambiental e instrumental en forma de señales transitorias que se asemejan a señales de origen astrofísico. Este ruido afecta la sensibilidad de los detectores. Mediante la clasificación de estas señales transitorias, podemos enseñar a los algoritmos de clasificación a ser más efectivos en su labor automática. Y así en definitiva, nos ayudáis a acelerar el proceso de mejora de la sensibilidad de los detectores permitiéndonos determinar y eliminar las fuentes de ruido.

Los descubrimientos revolucionarios de esta década, como la confirmación experimental del bosón de Higgs o la detección de ondas gravitacionales, tienen el poder DE ANIMAR A LAS NUEVAS GEneraciones a estudiar carreras de ciencias

– ¿Se venden mejor a nivel de inversión proyectos como el de colonizar Marte de Elon Musk que no tienen tanta importancia científica? ¿Por qué cree que son capaces de atraer más la atención de inversores y gran público?
La investigación en ciencia fundamental tiene como objetivo generar conocimiento, no necesariamente beneficio económico. Por eso es difícil convencer a la inversión privada que busca beneficios a corto plazo. Claramente ese no es el caso de la exploración espacial con una industria aeronáutica y de telecomunicaciones en alza. Este es el caso que mencionas de Elon Musk y su compañía SpaceX.

Desde el punto de vista del gran público, es normal que este tenga un mayor interés por aquellos proyectos que entienden mejor. Así, mientras que hay muchas series de televisión, películas, documentales y reportajes escritos sobre exploración espacial, ¿cuantos hay en temas importantes de ciencia fundamental? Al gran público solo se le informa sobre ondas gravitacionales o el bosón de Higgs cuando el problema ha sido resuelto en vez de cuando el proyecto está siendo acometido y requiere financiación.

– A un nivel más prosaico, la popularización de la ciencia gracias a las series de televisión tipo Big Bang Theory, ¿supone un impulso para que más niños quieran ser científicos o sólo para crear estereotipos?

En mi opinión, esa serie en particular hace una labor positiva desde el punto de vista de popularizar la ciencia. Puesto que, a pesar de que basa parte de su comedia en ciertos estereotipos, no lo hace de forma negativa o con objetivo de ridiculizar. Lo que hace a esta serie tan famosa y aceptada (también en la comunidad científica, de hecho, Stephen Hawking es un fan de la serie) es ahondar en la calidad humana de sus caracteres. Mostrando de forma cómica que el personaje científico/investigador no está reservada a caracteres particulares.

Otras series, no necesariamente cómicas, han hecho también una gran labor de divulgación. Por ejemplo, la reciente y fantástica serie COSMOS: Una odisea en el espacio-tiempo, producida por Seth MacFarlane (creador de Padre de familia) y presentada por el genial Neil deGrasse Tyson. Esta serie es una continuación de la obra maestra de Carl Sagan que en décadas anteriores inspiro a varias generaciones en la carrera científica (yo mismo entre ellos).

Inspirar a las nuevas generaciones es muy importante, pues el número de estudiantes en carreras relacionadas con Ciencia, Tecnología, Ingeniería y Matemáticas ha estado en declive. Los descubrimientos revolucionarios de esta década, como la confirmación experimental del bosón de Higgs o la detección de ondas gravitacionales, tienen el poder de curvar este declive, solo si son accesibles al público en general. Y por eso os agradezco la oportunidad que me dais en este cometido a través de esta entrevista.

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