Gravedad, la fuerza del universo I. Introducción

De las cuatro fuerzas conocidas en la naturaleza: electromagnética, nuclear débil, nuclear fuerte y gravitatoria, la gravedad es sin duda alguna la más desconocida e intrigante. El gran interés de la humanidad por conocer el universo, por tratar de comprender el fondo y la forma del mundo que nos rodea han posicionado, desde siempre, a la astronomía en el centro propio del saber del hombre, en el núcleo del conocimiento científico. ¿Y qué rol juega la fuerza de la gravedad dentro del estudio del universo? Digamos que todo. La fuerza de la gravedad es el corazón del cosmos, es la fuerza que mantiene los cuerpos celestes en sus perpetuos movimientos, la que configura el universo a nivel planetario, estelar y galáctico tal y como lo observamos desde la tierra.

En la antigüedad reducido a un grupo de privilegiados, hoy día, con el avance tecnológico actual y el bajo coste del equipamiento óptico de calidad, es asequible, a cualquier persona aficionada a la ciencia, adentrarse en el mundo de la observación espacial aunque se esté alejado de los grandes programas multimillonarios de exploración del universo; conviene recordar que los primeros trabajos teóricos que desarrollaron una formulación matemática asociada al movimiento planetario fueron los de Johannes Kepler, 1571-1630, quien supo extraer de las precisas tablas de posición planetaria recopiladas a “ojo desnudo” por Tycho Brahe, 1546-1601, sus hoy famosas leyes. Los trabajos de Kepler fueron la base para la primera formulación matemática de una teoría gravitatoria, la del físico inglés Isaac Newton, 1643-1727, y se obtuvieron probablemente en peores condiciones de las que gozan hoy miles de astrónomos amateur.

La teoría gravitatoria de Newton establece que dos cuerpos celestes se atraen mutuamente por una fuerza que es proporcional a sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa. Aplicado al caso del movimiento Luna-Tierra, la fuerza gravitatoria de atracción entre estos dos cuerpos celestes sería F = GMTierraMLuna/(DistanciaTierra-Luna)^2 , la que haría que ambos colapsaran a no ser por el movimiento de rotación lunar que la contrarresta, piénsese en la fuerza centrífuga que todos experimentamos cuando vamos en un vehículo que gira violentamente en una curva, todos hemos sentido alguna vez este fenómeno que tiende a expulsarnos del vehículo, esta fuerza centrífuga causada por el movimiento rotario hace que la luna no se precipite sobre la propia tierra al contrarrestar la gravedad. El mismo principio aplica a cualquier satélite espacial, una vez el lanzamiento del cohete ha alcanzado la altura necesaria y los motores de movimiento lateral han dado suficiente velocidad translacional a la cápsula, el satélite se libera quedando en movimiento de giro perpetúo, la ausencia de rozamiento en la estratosfera debido a la ultra baja presión del espacio exterior hace que el satélite mantenga su movimiento inercial sin sentirse frenado. Pensemos en lo que cuesta frenar cuando nos deslizamos por una pista de hielo una vez alcanzada una cierta velocidad. El hielo, con un bajo coeficiente de rozamiento hace que la perdida de velocidad sea muy atenuada, no obstante, con el tiempo paramos, en el espacio exterior no paramos, no hay rozamiento, una vez alcanzada una cierta velocidad y apagados los motores de la cápsula espacial la nave se desplazará por el universo a velocidad constante. Es esto lo que le ocurre a la Luna, se mueve alrededor de la tierra sin resistencia, contrarrestando la fuerza centrífuga repulsiva originada por el movimiento de rotación, a la fuerza gravitatoria de atracción.

La teoría gravitatoria de Newton perduró por dos siglos, siendo aún hoy la base físico matemática sobre la que se apoya la formación que reciben miles de ingenieros y físicos en todo el mundo. No obstante, de cara al conocimiento profundo de la mecánica celeste la teoría es incompleta al no poder explicar ni fenómenos estelares observables con instrumentos modernos, ni principios físicos básicos como la velocidad de propagación de la perturbación gravitatoria. Pongamos como ejemplo el simple fenómeno de encender una bombilla en la oscuridad, cuando hacemos esto, y a pesar de que el ojo humano percibe que el fenómeno es instantáneo por rápido, en realidad existe una velocidad finita de propagación de la luz desde la bombilla hacia el ojo humano, en concreto, en una habitación estándar en la que nos encontramos a unos dos metros de la fuente de luz, la onda electromagnética que sensibiliza nuestro ojo emplea 6,7 nanosegundos en alcanzar la retina, es decir, aproximadamente 7 fracciones de 1 segundo divido en mil millones de partes, una fracción de tiempo tan pequeña que sentimos como “instantánea”. Lo mismo ocurre con la onda mecánica que observamos al tirar una piedra en un estanque de agua, la onda de presión causada por la piedra sobre el agua hacer oscilar el fluído desplazándose la perturbación por la superficie del líquido, este fenómeno ondulatorio es desde luego mucho más lento, pudiéndose medir su velocidad con instrumentos sencillos tales como un cronómentro y un metro. Sin embargo, cuando hablamos de la gravedad en el contexto de la teoría de Newton ¿cuál es la velocidad de propagación de un evento gravitatorio? ¿cuánto tiempo tarda en sentirse en los objetos afectados la perdida de masa en una estrella? si el sol modificase la intensidad gravitatoria de su campo, ¿cuánto tardaría esta perturbación gravitatoria en hacerse sentir en la tierra?, en la teoría de Newton estas preguntas no tienen respuesta, hay que referirse a la teoría de la relatividad general de Albert Einstein para encontrar un soporte teórico en el que fundamentar la propagación de la interacción gravitatoria en modo de ondas de gravedad, ondas de gravedad que por otra parte jamás han sido detectadas por ningún laboratorio en el mundo. No existe ningún dispositivo construido por el hombre que pueda tener el honor de haber medido estas ondas, aunque si existen varios laboratorios que han construido experimentos que supuestamente podrían llegar a hacerlo; actualmente se encuentran en funcionamiento los detectores de ondas gravitatorias LIGO, VIRGO, GEO 600, TAMA 300, Nautilus y Auriga, y aunque ha habido amagos de éxito, todavía no se ha logrado la observación directa de una onda gravitatoria y tampoco está claro que estos detectores consigan hacerlo. Sea como fuere el área es relevante desde el punto de vista de la física experimental y observacional, y es seguro un tema de interés para astrónomos amateur y profesionales.