Escuchando al cosmos: una década de ondas gravitacionales.

                                     Escrito por: Javier Can

Hace exactamente 10 años, a las 9:51 AM (UTC) —3:51 AM en Ciudad de México—, las instalaciones de LIGO en Livingston, Luisiana, comenzaron a detectar una señal extraordinaria. Las señales correspondían a ondas gravitacionales producidas por una colisión orbital (véase imagen 1) de un agujero negro de 29 masas solares (medida de cantidad de veces la masa del sol) con otro de 36 masas solares, la cual tuvo lugar hace 1300 millones de años, valiéndole el premio nobel de física a Rainer Weiss, Barry C. Barish y Kip S. Thorne en 2017 y abriendo una nueva ventana para observar al universo, ahora, con la perspectiva de las ondas gravitacionales. Sin embargo, cabe preguntarnos, ¿por qué esto es tan importante? y, ante todo, ¿qué cambios trae esto a nuestra visión del universo?, pues, para entender cómo responder a estas preguntas, tenemos que responder otras primero.

¿Qué son las ondas gravitacionales?

Para entender qué es una onda gravitacional, debemos profundizar en el concepto de la gravedad, por ello, tendremos que salirnos de la gravedad de Newton para irnos a una teoría todavía más poderosa, la teoría de la relatividad general. La relatividad general es una teoría planteada por Albert Einstein en el año 1915, en el cuál, la gravedad no es una fuerza, sino
que, es la consecuencia por la curvatura del espacio-tiempo debido a la presencia de energía y materia. Una forma sencilla de visualizarlo es imaginar una tela estirada por una canica. La canica (como si fuera una estrella) hundirá la tela (el espacio-tiempo), por lo que, esta última se curva. Al introducir esta idea, la gravedad ya no puede ser vista como una fuerza, tal y como lo es la fuerza electromagnética, en realidad, es causada por la geometría del espacio-tiempo, haciendo que las partículas que deberían estar quietas comiencen a moverse debido a esta perturbación.

Con esta idea en mente, entendemos que ahora el campo gravitatorio será la curvatura del espacio-tiempo, pero ¿cómo se propaga este campo gravitacional?

En 1916, Einstein predijo matemáticamente la existencia de unas ondas encargadas de propagar el campo gravitacional, en el cuál, un cuerpo (por ejemplo, una estrella) al moverse, cambiará constantemente la geometría del espacio-tiempo creando las ondas ya mencionadas. Estas ondas son conocidas como las ondas gravitacionales, funcionando, de
manera análoga, a como se propagan los campos electromagnéticos, con ondas electromagnéticas. Las ondas gravitacionales se desplazan a la velocidad de la luz y se ven como cuando cae una gota en una piscina templada: se genera una gran cantidad de ondas que se distribuyen en toda la piscina.

Una de las cosas más interesantes que tienen las ondas gravitacionales, y vital para su detección, es que, la gravedad genera una fuerza de marea (siendo la responsable de controlar el nivel del mar en la tierra gracias a la gravedad de la luna), por lo que, las ondas gravitacionales también generan su propia fuerza de marea, pero de forma distinta a la del campo gravitacional. Al pasar una onda gravitacional, esta comprime y estira al espacio-tiempo, generando las ya mencionadas fuerzas de marea. Cuando la onda llega, esta estira las partes norte-sur y comprime las partes este-oeste. Mientras que, cuándo se va, hace lo
contrario, comprime las partes norte-sur y estira las partes este-oeste. Las ondas gravitacionales, tiene dos polarizaciones, una en forma de cruz y otra es una cruz rotada 45° en dirección a su eje de movimiento. En el caso de las fuerzas de marea de la segunda polarización, ocurrirá lo mismo que ya se describió, solo que rotada a 45°.

Como ya se había mencionado anteriormente, las ondas gravitacionales son producidas durante el movimiento de estrellas o cualquier objeto celeste. Mientras mayor masa y energía presente, las ondas emitidas serán más energéticas. Por ejemplo, las ondas gravitacionales que más se esperan detectar son las emitidas por supernovas, colisiones de estrellas neutrones y los eventos más energéticos de universo después del big bang, las colisiones de agujeros negros. Estas últimas, ¡son tan energéticas que hay fracciones de masa del agujero negro final que son convertidas en ondas gravitacionales! Por ejemplo, la primera detección de los agujeros negros, el agujero negro resultante tiene una masa de 62 masas solares aproximadamente, por lo que, ¡las 3 masas solares se convirtieron en ondas gravitacionales!

Las ondas gravitacionales son una fuente increíble de información respecto a fenómenos astronómicos, ya que, a diferencia de la luz producida por cuerpos celestes, estos no pueden ser interferidos por la gravedad de los cuerpos celestes por los que pasen, por ende, ¡es posible conocer información de eventos muy cercanos al big bang!. Sabiendo que son ondas importantes y bastante presentes en el universo, cabe preguntarse, ¿Por qué fueron detectadas 99 años después de su descubrimiento matemático?, y aquí es donde entra el mayor problema de las ondas.

Una señal imperceptible

En la actualidad, se sabe qué en una semana, pueden ocurrir varias colisiones de agujeros negros, por lo que, deberíamos percibir los efectos de las fuerzas de marea varias veces a la semana, ¿no es así?, pues, como jamás han notado, esto nunca les ha pasado. La razón de esto es que, las ondas gravitacionales son muy débiles en magnitud, no son ondas intensas por naturaleza, lo que tiene sentido tomando en cuenta que la gravedad es la fuerza fundamental más débil. ¿Y qué hay de los eventos más intensos del universo, las colisiones de agujeros negros?, pues, estas colisiones están a miles de millones de años luz de distancia de la tierra y, así como la luz, mientras más lejos está el observador, más pequeña es la intensidad de las ondas (Thorne, 1995), hasta un punto que, para poder medir el cambio producido por las fuerzas de marea de una onda, debe ser un cambio en la distancia de 1 entre 10¹⁴ metros, es decir, cero punto 13 ceros y 1, siendo una cantidad increíblemente pequeña, tan pequeña que es ¡10 veces el núcleo de un átomo!. Esto viene siendo como encontrar una perturbación en la millonésima parte de un cabello tuyo, es casi imperceptible. Como mencioné anteriormente, eso es “casi” imperceptible, ya que, hay una manera de poder mejorar este efecto de perturbación notablemente.

Resulta ser que, el efecto de las distancias por las ondas gravitacionales puede “amplificarse” aumentando el tamaño del objeto que usaremos para medirlo (Schutz, 2009). Es decir, en vez de usar un instrumento que mida unos cuantos metros, usemos un objeto que mida unos cuantos kilómetros, pues, los efectos de la fuerza de marea aumentarán. Sin embargo, ¿cómo creamos un instrumento de medición tan grande y que sea capaz de medir perturbaciones tan pequeñas?, pues, es aquí cuando introduciremos el encargado de haber resuelto este problema hace 10 años, sin más, ni menos, el Indiana
Jones que descubrió las reliquias de nuestro universo: LIGO.

LIGO y su funcionamiento

LIGO (Laser Interferometer Gravitational wave Observatory, o, en español, Observatorio de ondas gravitacionales a través de interferometría laser) es conocido como uno de los únicos detectores de ondas gravitacionales en el mundo, junto con otros proyectos de ondas gravitacionales como VIRGO (en Italia) y KAGRA (en Japón). Sin embargo, cabe preguntarnos, ¿cómo hace estas detecciones?, pues, utiliza una técnica llamada interferometría, más específicamente, LIGO utiliza un interferómetro de Michelson para poder detectar las ondas gravitacionales. La interferometría es una técnica que maneja ondas electromagnéticas (como luz en el espectro visible u ondas infrarrojas) para analizar la interferencia entre las mismas y así, averiguar propiedades de los materiales por los que pasa, distancia, medir el tiempo, etc. La interferometría de Michelson utiliza este mismo proceso, pero con un divisor de luz el, en el que las ondas van y regresan (tras rebotar a través de un espejo) y vuelven a combinarse, generando una franja de interferencia.

Esta idea es explicada de manera más clara a través del video de Craig Cahillane en su video “How does LIGO detect gravitational waves?”, el cual, se encuentra en la referencia 5. Esta franja de interferencia cambia según la distancia a la que se encuentre el espejo movible, y es ahí donde recae la idea clave para entender cómo funciona LIGO. Como se puede apreciar, este instrumento no depende de su tamaño, es decir, que se puede hacer aún más grande con ayuda de un láser más potente, hasta un punto de alcanzar distancias de kilómetros. Es a través de esta idea, que LIGO puede hacer un interferómetro con brazo de un largo de 4 kilómetros, lo cual, como planteamos anteriormente, mientras más grande es el instrumento de medición, mayor será el cambio en las distancias, por ende, ¡podremos detectar las ondas gravitacionales!. Claro que lograr esto solo así no es tan sencillo, el camino de los láseres debe estar completamente al vacío para evitar que haya una perturbación en el espejo movible (los efectos de las ondas gravitacionales todavía siguen siendo muy pequeños) que no fueran por las ondas gravitacionales y, por lo mismo, para evitar cualquier falsa alarma de onda detectada, existen dos instalaciones de LIGO en Estados Unidos de América (las ya mencionadas en Livingston y Hanford).

Hasta el momento, ya hemos entendido cuales han sido las implicaciones y dificultades que nos llevaron a la primera detección de las ondas gravitacionales en 2015. Pero, esto fue tan solo el comienzo de una serie de registros que no han parado desde la década pasada, así que, es buen momento para revisarlas.

Los logros de LIGO en los últimos 10 años

Es esta sección, están algunas de las detecciones más importantes de LIGO.

• GW150914 (14 de septiembre de 2015)
  Primera detección de ondas gravitacionales en la historia. Las ondas gravitacionales fueron producidas por la colisión de dos agujeros negros, uno de 29 masas solares y otro de 36 masas solares aproximadamente, ocurriendo a 1300 millones de años luz de distancia. El agujero resultante tiene una masa de 62 masas solares, esto es debido a que, las 3 masas
  solares que faltan se convirtieron en ondas gravitacionales (B. P. Abbott et al., 2016).
• GW170817 (17 de agosto de 2017).
  Primera detección de ondas gravitacionales producidas por la colisión de dos estrellas de neutrones. Las estrellas de neutrones tenían una masa en un rango de 0.86 a 2.26 masas solares (de acuerdo con el rango de masas de las estrellas de neutrones) y colisionaron a 130 millones de años luz. Esta observación es tan importante debido a que permitió recalcular la constante de Hubble (constante importante para medir a qué velocidad se alejan las estrellas
  debido a la expansión del universo) y comprobar de mayor manera los efectos de la gravedad en el espacio-tiempo (B. P. Abbott et al., 2017).
• GW190521 (21 de mayo de 2019).
  Estas ondas gravitacionales fueron producidas por la colisión de dos agujeros negros, siendo uno de 66 masas solares y el otro de 85 masas solares, a 19 mil millones de años luz de la tierra. El agujero negro producido tiene una masa de 142 masas solares, por lo que, 9 masas solares se convirtieron en ondas gravitacionales. La importancia de este hallazgo recae en la imposición de nuevos límites para la física de supernovas y agrega una nueva pauta para la creación de agujeros negros intermedios (agujeros negros con masas de 100 a un millón de masas solares) (R. Abbott et al., 2020).
• GW231123 (23 de noviembre de 2023).
  Estas ondas gravitacionales fueron creadas por la colisión de dos agujeros negros, uno de 137 masas solares y otro de 103 masas solares, a una distancia de 2.5 a 15 mil millones de años luz de la tierra. La importancia de esta detección radica en la inmensidad de los agujeros negros colisionados, pues, el más grande supera la masa predicha por los modelos de formación de agujeros negros por colapso estelar, indicando que, este agujero negro pudo haber sido creado por la colisión de dos agujeros negros (Collaboration et al., 2025).

Recomendamos ampliamente ver el video de la simulación numérica de la colisión de agujeros negros que creó a GW231123 hecha por el Instituto Albert Einstein (Instituto Max Planck de física gravitacional), el cual, se puede encontrar en la referencia 9.

Estas tan solo son algunas de las detecciones hechas por LIGO, ya que, el catálogo actual sostiene que ya hay 90 detecciones de ondas gravitacionales y 200 candidatos a onda gravitacional, marcando una nueva era con la astronomía de ondas gravitacionales.

Conclusiones

A lo largo de 10 años, LIGO ha recopilado decenas de ondas gravitacionales provenientes de distintas partes del cosmos, marcando una nueva manera para poder apreciar nuestro universo y entenderlo a través de objetos que han permanecidos invisibles para nosotros por cientos de años. Ahora, cada vez que estés comiendo, lavándote los dientes o viviendo un día
aparentemente común, recuerda que, a través de ti, pueden estar pasando ondas gravitacionales de eventos que llevan miles de años recorriendo el cosmos, objetos que, desde hace 10 años, finalmente somos capaces de apreciar en plenitud

————– Bibliografía y fuentes consultadas ————–

1. Abbott, B. P., Abbott, R., Abbott, T. D., Abernathy, M. R., Acernese, F., Ackley, K., Adams, C., Adams, T., Addesso, P., Adhikari, R. X., Adya, V. B., Affeldt, C., Agathos, M., Agatsuma, K., Aggarwal, N., Aguiar, O. D., Aiello, L., Ain, A., Ajith, P., . . . Zweizig, J.
   (2016). Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger. Physical Review Letters, 116(6). https://doi.org/10.1103/physrevlett.116.061102
2. Abbott, B. P., Abbott, R., Abbott, T. D., Acernese, F., Ackley, K., Adams, C., Adams, T., Addesso, P., Adhikari, R. X., Adya, V. B., Affeldt, C., Afrough, M., Agarwal, B., Agathos, M., Agatsuma, K., Aggarwal, N., Aguiar, O. D., Aiello, L., Ain, A., . . . Zweizig, J. (2017). GW170817: Observation of Gravitational Waves from a Binary Neutron Star Inspiral. Physical Review Letters, 119(16). https://doi.org/10.1103/physrevlett.119.161101
3. Abbott, R., Abbott, T. D., Abraham, S., Acernese, F., Ackley, K., Adams, C., Adhikari, R. X., Adya, V. B., Affeldt, C., Agathos, M., Agatsuma, K., Aggarwal, N., Aguiar, O. D., Aich, A., Aiello, L., Ain, A., Ajith, P., Akcay, S., Allen, G., . . . Zweizig, J. (2020). GW190521: A Binary Black Hole Merger with a Total Mass of 150 M⊙. Physical Review Letters, 125(10). https://doi.org/10.1103/physrevlett.125.101102
4. Collaboration, L. S., Collaboration, T. V., & Collaboration, T. K. (2025, 10 julio). GW231123: a Binary Black Hole Merger with Total Mass 190-265 $M_{\odot}$. arXiv.org. https://arxiv.org/abs/2507.08219v1
5. Craig Cahillane. (2021, 23 agosto). How does LIGO detect gravitational waves? [Vídeo]. YouTube. https://www.youtube.com/watch?v=X7RJHxeCulY
6. GW150914 – 1st GW detected. (2021, 3 agosto). LIGO-India. https://www.ligo- india.in/outreach/detections/gw150914
7. GW150914 Press Release. (s. f.). LIGO Lab | Caltech. https://www.ligo.caltech.edu/page/press-release-gw150914
8. GW190521. (s. f.). https://www.aei.mpg.de/500856/gw190521
9. Max Planck Institute for Gravitational Physics. (2025, 14 julio). GW231123: LIGO-Virgo- KAGRA detect most massive black hole merger to date [Vídeo]. YouTube. https://www.youtube.com/watch?v=d76jy6Mid8M
10. Michelson Interferometer. (s. f.). http://hyperphysics.phy- astr.gsu.edu/hbasees/phyopt/michel.html
11. Schutz, B. (2009). A First Course in General Relativity. Cambridge University Press.
12. Thorne, K. S. (1995). AGUJEROS NEGROS Y TIEMPO CURVO: El escandaloso legado de Einstein. http:/ atlas.umss.edu.bo:8080/jspui/bitstream/123456789/827/1/23953152- Thorne-Kip-S-Agujeros-Negros-y-Tiempo-Curvo%201.pdf