NeoFronteras

Proponen nuevas ideas para poder detectar ondas gravitacionales más débiles y de otras frecuencias.

El éxito de LIGO permite augurar que a la astronomía de ondas gravitacionales le espera un brillante futuro, cosa que hasta el año pasado parecía incierto.

Hay procesos en el Universo que no emiten luz (ondas electromagnéticas), pero que podrían ser estudiados a través de su emisión de ondas gravitacionales. Ya hemos empezado a “verlos”.

Los resultados de LIGO han permitido el aumento de presupuesto en otros interferómetros del mismo tipo que se estaban construyendo en otras partes del mundo. El primero en unirse a la lista será Advance Virgo, que hacia finales de este año empezará a funcionar con la misma precisión que los dos Advance LIGO que están en EEUU. Esto permitirá triangular mejor el origen de las ondas que se detecten. Se esperan registrar dos eventos mensuales de este tipo con estos tres interferómetros cuando estén funcionando a finales de año.

Pero todavía queda margen para la mejora. Un resultado reciente del MIT y de la Australian National University permitirá doblar la sensibilidad de este tipo de interferómetros. Esperan poder instalar esta nueva tecnología sobre LIGO al año que viene.

Como todos sabemos, las ondas gravitacionales son muy débiles y es muy complicado detectarlas. Se han tardado muchas décadas en conseguirlo. Además, el principal problema no es sólo ya las vibraciones, sino cómo aislar los instrumentos de toda fuente de ruidos, incluso de los propios que genera el instrumental empleado.

Este grupo de investigadores ha desarrollado lo que llaman una fuente de vacío exprimida que permitirá inyectar en LIGO vacíos mejorados en su interferómetro.

De entrada, cuando aquí hablamos de “ruido” no nos referimos al concepto acústico, sino al ruido en las medidas que pueden tener diverso origen. Cuando hablamos de vacío no nos referimos tampoco al vacío de aire en los tubos de LIGO (que es alto), sino a un vacío cuántico.

LIGO funciona básicamente como un interferómetro en forma de L en donde un haz láser rebota en los espejos colocados en sus extremos. Cuando una onda gravitacional cruza el instrumento acorta y alarga esos brazos cambiando el patrón de interferencia.

Pero las fluctuaciones cuánticas inherentes al haz láser que afectan a la fase de la onda electromagnética son una fuente de ruido. Si una onda gravitacional es muy débil, porque la fuente es muy lejana o el evento no es lo suficientemente intenso, entonces la señal está por debajo de este nivel de ruido y no puede detectarse. Para reducir este ruido cuántico se usa una fuente de vacío comprimido que es añadida al láser de tal modo que reduce sus fluctuaciones.

Esta fuente permitirá doblar la sensibilidad de LIGO, sobre todo a altas frecuencias, algo importante para estudiar el caso de colisión entre estrellas de neutrones.

Nadie sabe cómo se comportan las estrellas de neutrones cuando colisionan entre sí, así que las medidas experimentales que tome LIGO en el futuro con este instrumental serán importantes para comprenderlo. Se podría incluso quizás estudiar la naturaleza de la materia nuclear que componen este tipo de estrellas.

Para poder crear una fuente de vacío comprimido se necesita modificar el vacío cuántico que se da al nivel de energía más bajo posible. Unos haces láser realizan este estado cuántico comprimido mediante la reducción de la potencia de los mismos hasta que no producen luz y sólo queda un vacío cuántico, luego se captura parte de este vacío cuántico en una cavidad óptica. A partir de ahí todo lo que se puede hacer con luz se puede hacer con este vacío cuántico electromagnético.

Esta nueva fuente de vacío cuántico exhibe diez veces menos ruido de fase que otros experimentos anteriores, algo que también se debe a la reducción extrema de vibraciones mecánicas que permiten que el sistema esté en fase. Finalmente, se puede usar en un ciclo de retroalimentación para reducir el ruido de fase intrínseco del sistema láser con el que se miden las ondas gravitacionales.

Los investigadores implicados dicen que están listos para instalar este nuevo sistema.

LIGO puede detectar ondas gravitacionales de ciertas frecuencias, pero para frecuencia más bajas no tiene sensibilidad. Para poder detectar estos casos se ha propuesto LISA, que es un interferómetro espacial. La ESA lanzó la misión LISA Pathfinder para probar las tecnologías necesarias. Recientemente se ha anunciado que la misión es, de momento, todo un éxito y la tecnología implicada funciona. Así que LISA se podrá construir en algún momento alrededor del año 2034 (sí, algunas cosas van demasiado despacio).

Se espera que LISA logre detectar ondas gravitacionales con frecuencias comprendidas entre 0,03 mHz y los 100 mHz (0,00003-0,1 Hz).

Mientras tanto surgen propuestas que pueden complementar a LISA. Una de ellas proviene de Shimon Kolkowitz, Jun Ye (ambos de JILA, Colorado) y Mikhail Lukin (Harvard University).

Proponen una misión espacial en la que dos satélites en órbita solar con sendos relojes atómicos se envíen un haz láser entre ellos. El paso de una onda gravitacional alteraría la frecuencia del láser, algo que podría ser detectado gracias a los relojes atómicos a bordo.

Los relojes atómicos que se proponen son te tipo red óptica, que son extremadamente precisos y usan la frecuencia entre dos transiciones atómicas para medir el tiempo. La red óptica sería unidimensional y estaría constituida por una onda de luz estacionaria. Además, los satélites usarían láseres ultra estables que se lanzarían de uno a otro.

El sistema óptico en estos satélites mantendría ambos láseres en la misma frecuencia creando lo que, básicamente, sería un láser único operando a una única frecuencia. Cuando una onda gravitacional de gran longitud de onda pasase entre ellos haría oscilar la distancia entre los satélites y se perdería el equilibrio de frecuencia, lo que se podría medir gracias a los relojes atómicos.

El pico observacional de este nuevo sistema estaría en la detección de ondas gravitacionales con una frecuencia de 3 mHz, pero se puede mover hasta los 10 Hz sin pérdida significativa de la sensibilidad. El sistema sería, por tanto, sintonizable en una gama de frecuencias.

En el caso de dos agujeros negros en órbita alrededor del centro de masas común, LISA lograría detectar las ondas gravitacionales del sistema años antes de que se produjera la colisión, cuando el sistema estuviera emitiendo ondas en torno a los milihercios. Pero conforme se acercaran, dejaría de detectar las ondas emitidas al hacerse la frecuencia más alta. Entonces este nuevo sistema tomaría el relevo de su observación, cambiando la frecuencia de sintonización según fuera necesario hasta que se saliera de la escala. Entonces el evento final sería detectado por LIGO y similares en tierra.

Otra ventaja del sistema es que serviría para realizar medidas que permitan poner a prueba la Física conocida.

Sin embargo, no parece que la ESA cambie de idea y pase a financiar un sistema completamente nuevo como este en lugar de LISA, pese a que son complementarios.

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Fuentes y referencias:
Artículo original I.
Artículo original II.
Foto de la fuente de vacío: Eric Oelker, Massachusetts Institute of Technology.