El gran perro en su envoltorio

Por Colaborador Invitado, el 14 abril, 2011. Categoría(s): Divulgación • Física

Cómo evaluar la capacidad de una colaboración científica para llevar a cabo descubrimientos pioneros. Lucía Santamaría – California Institute of Technology

Ésta es una historia de ciencia, pero también de las personas que la hacen posible, y de cómo los descubrimientos científicos son procesos sutiles e intrincados. La medición directa de las ondas gravitacionales es una empresa majestuosa y aún inconclusa a la que se han dedicado considerables recursos en la última década, con la construcción de los interferómetros LIGO, Virgo y GEO.

La detección de estas ondas, producidas por cataclismos astrofísicos tales como supernovas, binarias de agujeros negros y el mismo Big Bang, permitirá explorar el universo de forma hasta ahora desconocida. Las colaboraciones científicas LIGO (LSC) y Virgo, formadas por más de 800 y 200 investigadores de todo el mundo respectivamente, se dedican a la construcción de los detectores y al análisis de sus datos desde hace casi dos lustros.

Vista aérea de uno de los detectores LIGO en Livingston

La extrema debilidad de las ondas gravitacionales en comparación con las electromagnéticas hace muy difícil su medición en la Tierra. La sensibilidad actual de los detectores es tal que sólo eventos relativamente cercanos pueden ser distinguidos del ruido que enmascara los datos de los interferómetros. La probabilidad de que una supernova explote, o de que un sistema binario de estrellas de neutrones o agujeros negros colapse dentro del rango de distancias que LIGO y Virgo pueden observar es pequeña, pero no nula. LIGO y Virgo han estado tomando datos a su máxima sensibilidad de forma intermitente desde 2005.

En octubre de 2010, LIGO concluyó sus operaciones bajo el actual diseño y comenzó a ser desmantelado para su posterior reconstrucción, en lo que será una versión mejorada y 10 veces más sensible que empezará a operar alrededor de 2015. Ante la perspectiva de los próximos “años oscuros”, en los que no habrá datos para analizar, los científicos de la colaboración no pudieron menos que entusiasmarse al encontrar indicios de una señal candidata a onda gravitacional ocurrida el 16 de septiembre de 2010. La fuente parecía provenir de las inmediaciones de la constelación Canis Major, por lo que el nombre en clave asignado al evento fue “Big Dog”, el gran perro.

Señal de onda gravitacional emitida por un sistema binario en órbita mutua

Los primeros análisis apuntaban a que el Big Dog bien podía ser la señal emitida por un sistema binario formado por una estrella de neutrones y un agujero negro en órbita mutua. Ésta era la oportunidad por largo tiempo soñada. Los mecanismos de la colaboración para asegurar la validez del descubrimiento se pusieron inmediatamente en marcha: durante 6 frenéticos meses las técnicas de análisis de datos fueron escudriñadas por comités creados al respecto y el artículo de la primera detección directa de ondas gravitacionales fue escrito de principio a fin, en un esfuerzo de organización sin precedentes.

A los científicos se nos advirtió expresamente para que no filtráramos la importancia del descubrimiento hasta que todos los resultados hubieran sido comprobados y el artículo estuviera listo para su publicación en una revista especializada.

La señal del Big Dog

Llegados a este punto, reflexionemos sobre lo que significa medir un fenómeno por vez primera.

En LIGO y Virgo se trabaja bajo la premisa de que la relatividad general es la descripción correcta de la gravedad, y se utilizan las formas de onda derivadas de las ecuaciones de Einstein para buscar señales gravitacionales. Por otra parte, las tasas astrofísicas imponen límites al número de eventos esperados por unidad de volumen del universo. De hecho, el universo no es un laboratorio en el que un experimento se pueda repetir controladamente cientos de millones de veces (en el sentido en el que el LHC sí lo es). Las colisiones y explosiones estelares que producen ondas gravitacionales suceden muy de cuando en cuando, y en momentos que los científicos no pueden escoger o preveer. ¿Y qué pasa si la teoría o los métodos están errados y se pierde la ocasión de medirlas?

Es por ello que los investigadores de LIGO y Virgo utilizan un truco ya empleado en otros experimentos: los retos ‘ciegos’ en los que una o varias señales similares a las esperadas (¡o ninguna!) se introducen en los datos del detector de manera aleatoria y secreta. Los analistas están al tanto de esta posibilidad, pero han de actuar como si fueran ajenos a ella y realizar todos sus cálculos sin tener en cuenta esta pequeña treta. Si los métodos son correctos y hay una señal ‘falsa’, se sabrá a su debido tiempo. Pero si no se inyectó tal señal, entonces el descubrimiento es real.

Cuando hay retos ciegos se pone a prueba el sesgo que todo científico debe evitar, es decir, el prejuicio de creer saber cuál es el resultado de un experimento antes de llevarlo a cabo. En el caso de LIGO, la existencia o no de señales espurias la conocían solamente tres personas y los detalles se guardaron en un sobre que no se abriría hasta el final.

Saltemos ahora rápidamente al día 14 de marzo de 2011. Cientos de físicos de ondas gravitacionales se dan cita en California. El artículo de la primera detección directa de ondas gravitacionales está escrito, el Big Dog ha sido identificado claramente como tal y ha pasado todas las pruebas para desechar otras posibles causas no astrofísicas que pudieran haber causado una señal similar. El champán aguarda…

Es el momento de abrir el envoltorio. Jay Marx, el director de LIGO, desvela el secreto: los parámetros de la señal añadida en los detectores el 16 de septiembre de 2010. El Big Dog no pasará a la historia como la primera señal gravitacional medida directamente. Ha sido, por el contrario, un ejercicio para evaluar la capacidad de 1000 investigadores de poner a punto una estrategia de detección, de principio a fin, en 6 meses. Ha sido una inyección ciega, introducida a mano para desafiar a los científicos, para hacerles reflexionar sobre sus métodos y sus capacidades, y también para convencerles de que están preparados para detectar ondas gravitacionales. Y la próxima vez, con un poco de suerte no mucho después de 2015, el descubrimiento será genuino.

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Más información sobre el Big Dog aquí (en inglés).

Lucía Santamaría: mi labor en LIGO se centra en desarrollar modelos realistas para las ondas gravitacionales emitidas por diversas fuentes astrofísicas, tales como binarias de agujeros negros y supernovas. Trabajo calculando la radiación emitida por estos sistemas, y para ello utilizo nociones de relatividad general y relatividad numérica. Posteriormente este conocimiento sobre las fuentes se incopora en los métodos para detectar ondas gravitacionales, contribuyendo a mejorar las técnicas de análisis de datos y la sensibilidad de las búsquedas.

[Este artículo refleja las opiniones de la autora basadas en su experiencia dentro de la colaboración científica LIGO. Este artículo no es un comunicado oficial de la colaboración.]



Por Colaborador Invitado, publicado el 14 abril, 2011
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