Si existen naves interestelares con tecnología de propulsión ‘warp drive’, las podremos detectar a pesar de que aún estamos en las primeras etapas de nuestra exploración del cosmos
Foto: Ilustración de una nave con ‘warp drive’.
Ilustración de una nave con ‘warp drive’.
Por Katy Clough- Sebastian Khan- Tim Dietrich
¿Cuánto sabemos realmente sobre lo que hay ahí fuera en el universo? Tomemos un ejemplo disparatado. Si hubiera extraterrestres volando por nuestra galaxia con la clase de tecnología de ‘warp drive’ que a menudo vemos en series de ciencia ficción, ¿cómo sería la señal de sus naves? Tal vez sorprendentemente, nuestra investigación muestra que tenemos las herramientas para responder a esta pregunta, independientemente de si tales cosas realmente existen. Los telescopios que utilizan la luz para explorar el espacio pueden ver ahora casi hasta el borde de lo observable. Cada nueva frecuencia que hemos explorado —desde los rayos gamma y los rayos X, hasta el infrarrojo y la radio— nos ha enseñado algo nuevo e inesperado.
En 2015, se encendió un nuevo tipo de telescopio, un detector llamado Ligo, que no buscaba ondas de luz, sino ondas gravitacionales, que son “ondulaciones” invisibles en el espacio y el tiempo. Una vez más, la naturaleza nos sorprendió con una señal etiquetada GW150914, procedente de un par de agujeros negros. Cada uno tenía unas treinta veces la masa de nuestro sol y se fusionaron en una violenta colisión a 1.400 millones de años luz de distancia. Desde entonces, las ondas gravitacionales se han convertido en una nueva herramienta esencial para los investigadores que exploran el universo. Pero estamos aún al principio de nuestras exploraciones.
¿Qué señales podríamos encontrar en los datos, y cambiarán nuestra forma de entender la física del cosmos? Sin embargo, hay una pregunta más práctica que a menudo se pasa por alto: si hay algo ahí fuera, ¿cómo podríamos reconocerlo?
De la ciencia ficción a la ciencia real
Probablemente hayas visto impulsos warp en series como Star Trek. Un ‘warp drive’ (o impuslo warp) es una forma hipotética de tecnología que comprime el espacio delante de una nave estelar y lo expande detrás. Aunque nada puede viajar más rápido que la luz, con un impulso warp podemos “hacer trampa” acortando la distancia. Así, el tiempo que se tarda en ir de A a B es menor que el tiempo que tarda la luz en recorrer otra ruta no comprimida.
Un concepto de nave con Warp Drive. (Rademaker)
El salto de la ciencia ficción a la ciencia real lo dio el físico teórico Miguel Alcubierre en 1994, cuando se inspiró para modelar un impulso warp usando las ecuaciones de la relatividad general de Einstein.
La relatividad general describe la relación entre la curvatura del espacio-tiempo (gravedad) y la distribución de materia o energía. Normalmente, empezamos conociendo la “materia”. Por ejemplo, sabemos que tenemos un cuerpo de materia que representa un planeta o una estrella. Luego, introducimos esa información en las ecuaciones para determinar cómo se curva el espacio-tiempo. La manera en que se curva nos indica la gravedad (en lugar de «Y cómo se curva nos indica la gravedad», que es confuso) que mediríamos alrededor del objeto.
Podrías decir que esto es exactamente lo que hace la imagen de la gravedad de Isaac Newton, al establecer una relación entre la masa de un objeto y la fuerza gravitatoria que ejerce. Y tendrías razón. Pero el concepto de curvatura del espacio-tiempo da lugar a una gama mucho más amplia de fenómenos que una simple fuerza. Permite una especie de gravedad repulsiva que impulsa la expansión de nuestro universo, crea dilatación temporal alrededor de objetos masivos y ondas gravitacionales en el espacio-tiempo y, al menos en teoría, hace posible los impulsos warp.
Alcubierre abordó su problema desde la dirección opuesta a la habitual. Sabía qué tipo de curvatura del espacio-tiempo quería. Quería una en la que un objeto pudiera “surfear” sobre una región de espacio-tiempo curvado. Así que trabajó al revés para determinar qué configuración de materia se necesitaría para crear esto. No era una solución natural de las ecuaciones, sino algo «hecho a medida». Sin embargo, no era exactamente lo que él hubiera deseado. Descubrió que necesitaba materia exótica, algo con una densidad de energía negativa, para curvar el espacio de la manera correcta.
Prototipo del motor del Warp Drive de la NASA. (Mark Rademaker)
Las soluciones de materia exótica son generalmente vistas con escepticismo por los físicos, y con razón. Aunque matemáticamente se puede describir material con energías negativas, casi todo lo que conocemos parece tener energía positiva. Pero en la física cuántica hemos observado que pueden ocurrir pequeñas violaciones temporales de la positividad de la energía, por lo que “no hay energía negativa” no puede ser una ley fundamental absoluta.
De los impulsos warp a las ondas
Dado el modelo de Alcubierre del espacio-tiempo del impulso warp, podemos empezar a responder a nuestra pregunta original: «¿cómo se manifestaría una señal de un impulso warp?» (para mayor claridad).
Uno de los pilares de las observaciones modernas de ondas gravitacionales, y uno de sus mayores logros, es la capacidad de predecir con precisión las formas de onda a partir de escenarios físicos utilizando una herramienta llamada «relatividad numérica».
Esta herramienta es importante por dos razones. Primero, porque los datos que obtenemos de los detectores aún son muy ruidosos, lo que significa que a menudo necesitamos saber más o menos cómo es una señal para poder extraerla del flujo de datos. Y segundo, aunque una señal sea tan fuerte que sobresalga por encima del ruido, necesitamos un modelo para interpretarla. Es decir, debemos haber modelado muchos tipos diferentes de eventos, para poder asociar la señal con el tipo de evento; de lo contrario, podríamos vernos tentados a descartarla como ruido, o etiquetarla incorrectamente como una fusión de agujeros negros.
El concepto de nave espacial con motor ‘warp drive’ que se necesitaría para llegar a una Alfa Centauri en pocos meses. (LSI)
Un problema con el espacio-tiempo del impulso warp es que no genera naturalmente ondas gravitacionales, a menos que empiece o se detenga. Nuestra idea fue estudiar qué sucedería cuando un impulso warp se detuviera, particularmente en el caso de que algo saliera mal. Supongamos que el campo de contención del impulso warp colapsara (un argumento recurrente en la ciencia ficción); presumiblemente habría una liberación explosiva tanto de la materia exótica como de ondas gravitacionales. Esto es algo que podemos, y de hecho hicimos, simular usando relatividad numérica.
Lo que descubrimos fue que el colapso de la burbuja del impulso warp es, en efecto, un evento extremadamente violento. La enorme cantidad de energía necesaria para curvar el espacio-tiempo se libera en forma de ondas gravitacionales y ondas de energía tanto positiva como negativa. Desafortunadamente, lo más probable es que sea el fin para la tripulación de la nave, que sería destrozada por las fuerzas de marea.
¡A toda velocidad, Scotty!
Sabíamos que se emitiría una señal de onda gravitacional; cualquier movimiento de materia de manera desordenada (mejor que «caótica», que suena informal en este contexto) crea una onda de este tipo. Pero no podíamos predecir la amplitud y la frecuencia, y cómo estas dependerían del tamaño de la región curvada.
Lateral del prototipo de Warp Drive de la NASA (Mark Rademaker)
Nos sorprendió descubrir que, para una nave de 1 km de tamaño, la amplitud de la señal sería significativa para cualquier evento de este tipo dentro de nuestra galaxia e incluso más allá. A una distancia de 1 megaparsec (ligeramente más allá de la galaxia de Andrómeda), la señal es similar a la sensibilidad de nuestros detectores actuales. Sin embargo, la frecuencia de las ondas es unas mil veces mayor que el rango que están observando. Debemos ser honestos y decir que no podemos afirmar que nuestra señal sea la definitiva de un impulso warp. Tuvimos que hacer bastantes elecciones específicas en nuestro modelo. Y nuestros hipotéticos alienígenas podrían haber tomado decisiones diferentes. Pero como prueba de concepto, muestra que casos más allá de los eventos astrofísicos estándar pueden modelarse y que podrían tener formas y características distintivas que podremos buscar en futuros detectores. Nuestro trabajo también nos recuerda que, en comparación con el estudio de las ondas de luz, todavía estamos en la etapa de Galileo, tomando imágenes del universo en la estrecha banda de frecuencia de la luz visible. Tenemos todo un espectro de frecuencias de ondas gravitacionales por explorar, que serán sensibles a una gama de fenómenos que ocurren a lo largo del espacio y el tiempo.
Autores: — Katy Clough es Beca Ernest Rutherford y profesor titular de matemáticas, Universidad Queen Mary de Londres. Sebastián Khan es investigador asociado en el Gravity Exploration Institute, Universidad de Cardiff. Tim Dietrich es Profesor de Astrofísica Teórica, Universidad de Potsdam.