¿Una polémica zanjada?: la señal del LIGO, rescatada del ruido

Tras el histórico anuncio de febrero de 2016 que informaba del descubrimiento de las ondas gravitacionales, no pasó mucho tiempo antes de que apareciesen algunos escépticos.

De la detección de esas débiles ondulaciones del espaciotiempo por medio del Observatorio de Ondas Gravitacionales con Interferómetro de Láser (LIGO) se dijo que abría un nuevo oído para escuchar el cosmos. Pero al año siguiente un grupo de físicos del Instituto Niels Bohr de Copenhague publicaba un artículo que arrojaba dudas sobre los análisis del LIGO. Centraron sus críticas en la famosa primera señal del experimento, una línea temblorosa, que correspondíaa  la colisión de dos agujeros negros ocurrida hace más de mil millones de años y que se reprodujo en los periódicos de todo el mundo. Hasta hubo quienes se la tatuaron.

Los investigadores de Copenhague dirigidos por el catedrático emérito Andrew Jackson, sostuvieron, pese a que el LIGO captó después más ondas gravitatorias y a que sus fundadores recibieron el premio Nobel de Física, que habían encontrado unas correlaciones inexplicadas en el «ruido» de los detectores gemelos del LIGO. Estos, unos instrumentos con forma de L cuyos brazos se estiran y encogen alternativamente cuando pasa una onda gravitatoria, están situados uno en Livingston, Luisiana, y el otro en Hanford, Washington, en dos lugares muy distantes entre sí, pues, para garantizar que solo auténticas ondulaciones gravitatorias del espacio puedan hacer oscilar ambos instrumentos de modo que se genere una señal asociable a una onda gravitacional. Pero según Jackson y sus colaboradores, las correlaciones en el ruido dan a entender que LIGO podría no haber detectado ondas gravitacionales, sino alguna perturbación terrestre, quizás un terremoto. Mantenían que algo no había ido bien en los instrumentos o en los análisis de los científicos del LIGO.

Ese resultado era muy preocupante. Los científicos del LIGO comprobaron su trabajo de nuevo y un grupo de expertos visitó el Instituto Niels Bohr el año pasado para profundizar en los detalles de los algoritmos de Jackson y sus colaboradores. Dos grupos de investigadores se propusieron analizar por su cuenta los datos del LIGO y el programa informático del grupo de Copenhague.

Esos dos grupos han terminado ahora sus estudios. Los nuevos artículos explican diferentes aspectos del problema que condujeron a Jackson y sus coautores a su aseveración. Ambos análisis concluyen rotundamente que es errónea. No hay correlaciones sin explicar en el ruido del LIGO.

«No vemos ninguna justificación para que permanezcan las dudas sobre el descubrimiento de las ondas gravitacionales», afirman en un mensaje de correo electrónico los autores de uno de los artículos, los físicos Martin Green y John Moffat, del Instituto Perímetro de Física Teórica.

Estos dos científicos no tienen ningún lazo directo con el LIGO. «Es importante para la ciencia que haya gente que analice datos y resultados con independencia del grupo», dice Moffat, «especialmente para un acontecimiento tan importante en la historia de la física»

Frans Pretorius, experto en ondas gravitacionales de la Universidad de Princeton que no ha participado en ninguno de estos estudios recientes, dice que durante más de un año él y la mayor parte de los físicos han dado por bueno que el análisis del LIGO y su descubrimientos son correctos. No obstante, dice, «es importante que finalmente haya un análisis exhaustivo y en forma de artículo» en vez de «un toma y daca en los medios».

El portavoz de la Colaboración LIGO, formada por 1200 personas, David Shoemaker, del Instituto de Tecnología de Massachusetts, afirma en un mensaje de correo electrónico que los nuevos hallazgos corroboran los análisis internos del grupo. «Ver esos dos reanálisis de fuera de la Colaboración reafirma mi certidumbre de que las detecciones [de las ondas gravitacionales] son auténticas», dice, «y refuerzan también nuestra anterior percepción de dónde tiene problemas el artículo de Jackson et al.»

En un correo electrónico, Jackson dice del artículo de Green y Moffat, publicado en Physics Letters B en septiembre, que «no vale absolutamente para nada». Cuando se le pidió que diera detalles, pareció que caracterizaba de modo erróneo el argumento del dúo y que no encaraba las cuestiones más importantes suscitadas por el trabajo de su propio equipo. Jackson también despreciaba los otros resultados, los de Alex Nielsen, del Instituto Max Planck de Física Gravitatoria, en Hannover, y otros tres coautores, cuyo artículo ha salido en el repositorio de prepublicaciones arXiv en noviembre y que está siendo sometido en revisión por el Journal of Cosmology and Astroparticle Physics. «Estamos escribiendo una respuesta a este último artículo», escribía Jackson, así que «no explicaré donde cometieron (otra vez) sus errores».

«El grupo de Copenhague se niega a aceptar que puedan estar equivocados», dice Moffat. «Lo cierto es que están equivocados».

Los expertos dicen que el problema se reduce a una combinación de pifias: varias de los físicos de Copenhague y una del LIGO.

Para desentrañar la minúscula oscilación de una onda gravitacional que pasa, sumergida en un fondo ruidoso, los algoritmos del LIGO comparan constantemente las longitudes de los brazos del detector, que oscilan cuando los agita el paso de una onda gravitatoria o un ruido de fondo, con unas «plantillas de fomas de onda», unas señales de onda gravitacional posibles calculadas a partir de la teoría de la relatividad general de Einstein. Cuando hay una gran concordancia entre una señal detectada en Hanford y una captada en Livingston un poco antes o después y que también casa con una plantilla de forma de onda, el correo electrónico propaga el aviso por todo el mundo.

Se determina entonces cuidadosamente la forma de onda gravitatoria de «mejor ajuste», es decir, la que más concuerda con las señales de los dos detectores. Cuando esa forma de onda se sustrae de cada una de las señales, quedan «residuos de ruido», las pequeñas oscilaciones subsistentes tras esa operación en los datos de cada detector, que no deben estar correlacionadas, ya que los instrumentos están separados por más de 3000 kilómetros de distancia.En su artículo de 2017, el grupo de Copenhague sostenía que había descubierto que el ruido de Livingston coincidía con el de Hanford siete milisegundos después, el mismo retraso con el que la supuesta señal de onda gravitatoria llegaba a ambos detectores. Interpretaron que esto quería decir que LIGO, o no había separado limpiamente su señal del ruido, o que unas correlaciones en el ruido aparecidas justo en el momento oportuno eran las causantes de la señal entera.

Sin embargo, Green y Moffat han encontrado una serie de errores en el manejo de los datos por parte del equipo de Copenhague que, dicen, se conjugaron de manera que se crease una correlación que en realidad no existía.

Para buscar correlaciones en los residuos, Jackson y sus colaboradores tomaron un segmento de 20 milisegundos de duración de los datos de Livingston y fueron desplazando sobre él segmentos de los datos de Hanford de la misma duración, y registraron las correlaciones cuando los picos se solapaban con los picos y los valles con los valles. Obtuvieron que se producían fuertes correlaciones cuando entre los datos había un retraso de siete milisegundos. Pero Green y Moffat cayeron en la cuenta de que cuando aplicaban el programa de Jackson y su equipo e invertían el procedimiento, es decir, fijaban los datos del ruido de Hanford y deslizaban sobre ellos segmentos de datos de Livingston, la correlación a los siete milisegundos de retraso se esfumaba. «Fue una señal de aviso porque significa que no, que no tienes un método de cálculo robusto», dice Green, experto en procesamiento digital de señales. Al contrario: las longitudes de los segmentos de datos y su tratamiento asimétrico se «preparaban para obtener una señal de correlación casi a cualquier retraso que se desease», dice.

En un cálculo aparte, parecía que Jackson y su equipo habían hallado unos patrones no aleatorios, correlacionados, de picos y valles a través de los registros del ruido en los dos detectores. Pero Green y Moffat infirieron que los físicos de Copenhague no habían «aventanado» los dos conjuntos de datos de ruido. Aventanar es una técnica estándar que ajusta a cero suavemente una señal así al principio y al final de un segmento de datos antes de hacer una operación matemática llamada «transformada de Fourier», que facilita la comparación con otros datos. La transformada de Fourier trata un segmento de datos como si fuese cíclico; enlaza el principio y el final. Si el segmento no está aventanado,  unos cambios bruscos en los extremos, denominados «distorsiones de borde», pueden hacer que acaben apareciendo correlaciones cuando se comparan los datos con un segundo conjunto.

Cuando Green y Moffat aventanaron los dos conjuntos de datos de ruido, las corelaciones que se decía que había desaparecieron. «Lo que nos preocupa es que el cálculo que hizo el grupo de Copenhague se forzase para conseguir el resultado que querían», afirma Green.

Nielsen y sus coautores (Alexander Nitz, Collin Capano y Duncan Brown) también llegaron a la conclusión de que la supuesta correlación en el ruido no es real, pero dicen que el error puede atribuirse al menos en parte a un error del LIGO, que proporcionó datos erróneos en la primera figura del artículo de 2016 de Physical Review Letters donde expusieron su descubrimiento.

Esa figura 1 es la «que la gente se tatúa en los brazos», dice Brown, astrónomo de ondas gravitacionales de la Universidad de Siracusa y antiguo miembro del LIGO que abandonó el grupo este año para proseguir independientemente el análisis de los datos.

La parte superior de la figura mostraba, una junta con la otra, unas líneas temblorosas que representan la señal de ondas gravitacionales detectada en Livingston y Hanford. Debajo había unas plantillas de formas de onda que coincidían estrechamente con las señales y, en la parte inferior, unas líneas serradas que correspondían a los «residuos de ruido» de los dos detectores una vez se había sustraído de cada conjunto de datos la plantilla de forma de onda.

Brown explica que el programa de Jackson, que examinó detalladamente durante una visita a Copenhague, detecta un solapamiento en los residuos a los siete segundos de retraso por una razón prosaica: la plantilla de forma de onda mostrada en aquella figura 1 no es la forma de onda de «mejor ajuste» que LIGO usó realmente en su análisis riguroso. La figura se creó con fines ilustrativos, según han explicado Brown y otros. El creador de la figura casó a ojo una plantilla de forma de onda con las señales gemelas en vez de usar la señal de mejor ajuste determinada por cálculos minuciosos. Las pequeñas imperfecciones en la forma de onda sustraída significaban que quedaba algo de la señal de onda gravitacional de ambos conjuntos de datos que no se sustrajo y que terminó por mezclarse con el ruido mostrado en la parte inferior de la figura 1. Los algorimos de Jackson y de sus colaboradores pudieron desentrañarlo. «Lo que descubrieron fue una sustracción imperfecta» de la forma de onda de la señal, dice Brown. «Cuando sustraemos una forma de onda mejor que la usada en el artículo de Physics Review Letters, no encontramos residuos estadísticamente significativos».

«Si el LIGO hizo algo mal», añade, «fue no dejar claro como el agua que las distintas partes de esa figura eran ilustrativas y que el descubrimiento no se basaba en esa gráfica». Jackson. sin embargo, ha acusado al LIGO de haber tenido una «conducta inapropiada» y de tomar «la decisión consciente de no informar al lector de que estaban violando uno de los criterios centrales de la buena praxis científica».

¿A quién hay que echar la culpa, a la figura chapucera del LIGO o a los cálculos deficientes del grupo de Copenhague? «En realidad, creo que a ambos», dice Brown. Si Jackson y sus coplaboradores pudieron preparar sus parámetros para crear correlaciones a los siete milisegundos de retraso, como indican los resultados de Green y Moffat, sus resultados quedaron esencialmente sesgados. Entonces, con el mismo retraso, sus algoritmos sesgados habría escogido los bits imperfectamente sustraídos de la señal presentes en el ruido, lo que habría reforzado la falsa impresión.

Jackson, sin embargo, mantiene que las correlaciones inexplicadas están presentes y dice que él y sus colaboradores están elaborando unas refutación de los nuevos trabajos. Sigue creyendo que la primera y más potente señal de onda gravitacional del LIGO (y, por extensión, todas las demás) pudo ser otra cosa completamente distinta; quizá, dice, un rayo en Burkina Faso, un seísmo o incluso uno de esos misteriosos ‘fallitos’que los detectores del LIGO detectan alrededor de una vez por hora».

Pero los dos nuevos artículos han revisado y reanalizado los datos en bruto del LIGO, y han redescubierto las señales de onda gravitatoria que encierran con algorimos diferentes a los del LIGO. Otros investigadores lo han hecho también.

«Creo que la realización de análisis independientes de los datos de las ondas gravitacionales es algo muy importante y valioso, y nos encanta que haya más personas que participen», dice Shoemaker, portavoz del LIGO. «Que el trabajo de Jackson et al. haya estimulado algunas investigaciones independientes adicionales puede considerse un resultado positivo, pero personalmente creo que lo ha acompañado un innecesario coste en ‘dramatismo’».

Mientras, los detectores gemelos del LIGO y un tercer instrumento europeo, llamado Virgo, que empezó a funcionar en 2017, han registrado diez colisiones de agujeros negros hasta la fecha, más una oscilación del espaciotiempo causada por la colisión de dos estrellas de neutrones. Las cuatro últimas detecciones de agujeros negros se anunciaron este mismo mes, con una llamativa ilustración (reproducida abajo) que representa la creciente población de esas misteriosas esferas invisibles y, a las masas de las detectadas, superdensas. Cuando el año pasado se detectó la colisión de las estrellas de neutrones, setenta telescopios apuntaron hacia la pirotecnia que se produjo; sus observaciones establecieron el origen cósmico del oro y midieron el paso al que se expande el universo, entre otras cosas.

A Brown no le sorprende que el revolucionario descubrimiento del LIGO invitase al escepticismo. Se detectó un potente suceso «prácticamente el mismo día en que se puso en marcha», dice, y el ritmo al que suceden las colisiones de agujeros negros en el cosmos ha resultado que cae en el extremo superior de lo que se preveía.

«El universo ama a los astrónomos de ondas gravitatorias», dice. 

Natalie Wolchover / Quanta Magazine

Artículo traducido por Investigación y Ciencia con permiso de QuantaMagazine.org, una publicación independiente promovida por la Fundación Simons para potenciar la comprensión de la ciencia.

Referencia: «Extraction of black hole coalescence waveforms from noisy data», de Martin A.Green y J.W.Moffat en Physics Letters B, volumen 784, 10 de septiembre de 2018, págs. 312-323; «Investigating the noise residuals around the gravitational wave event GW150914», de Alex B. Nielsen, Alexander H. Nitz, Collin D. Capano y Duncan A. Brown en arXiv:1811.04071 [astro-pH.HE].