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La red global de detectores de ondas gravitacionales ya ha comenzado la nueva campaña de observación de ondas gravitacionales.

Después de un paréntesis de tres años prolongado por los problemas derivados de la pandemia, la colaboración LIGO-Virgo-KAGRA (o LVK) comienza una nueva campaña de observación con instrumentos actualizados y otras mejoras para impulsar la búsqueda de ondas gravitacionales.

LIGO ya está observando, KAGRA se une solo durante un mes para después volver y Virgo empezará después de este verano. Esta campaña de observación es la cuarta desde que LIGO hizo historia en 2015 al hacer la primera detección directa de ondas gravitacionales.

La colaboración LVK está formada por científicos de todo el mundo que utilizan una red de observatorios de ondas gravitacionales: LIGO en los Estados Unidos, Virgo en Europa y KAGRA en Japón.

El Observatorio LIGO tiene dos detectores, uno en Hanford (Washington) y otro en Livingston (Louisiana). El diseño y construcción de LIGO estuvo a cargo de un equipo de científicos, ingenieros y personal del Instituto de Tecnología de California (Caltech) y del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT). Hay colaboradores de más de 80 instituciones científicas de todo el mundo.

La Colaboración Virgo está compuesta actualmente por aproximadamente 850 miembros de 143 instituciones en 15 países diferentes, principalmente europeos. El Observatorio Gravitacional Europeo (EGO) alberga el detector Virgo cerca de Pisa en Italia y está financiado por el Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) en Francia, el Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) en Italia y el Instituto Nacional de Física Subatómica (Nikhef) en los Países Bajos.

KAGRA es un interferómetro que se ubica en Kamioka, Gifu, Japón. El instituto anfitrión es el Instituto para la Investigación de Rayos Cósmicos (ICRR) de la Universidad de Tokio. El proyecto está copatrocinado por el Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ) y la Organización de Investigación de Aceleradores de Alta Energía (KEK). La colaboración KAGRA está compuesta por más de 480 miembros de 115 institutos en 17 países/regiones.

Además, el gobierno indio ha dado recientemente la aprobación final necesaria para que comience la construcción de LIGO-India, una versión casi idéntica de las instalaciones gemelas LIGO. El gobierno de India gastará alrededor de 320 millones de euros para construir LIGO-India y se esperan las primeras observaciones para finales de la década.

«Nuestros equipos LIGO han trabajado a través de las dificultades durante los últimos dos años para estar listos para este momento y, de hecho, estamos listos», dice Albert Lazzarini (Caltech), subdirector del Laboratorio LIGO.

La mayoría de la observaciones esperadas involucran sistemas binarios de agujeros negros, aunque podrían incluir sistemas binarios con estrellas de neutrones.

Los detectores LIGO han sido actualizados y se ha conseguido un aumento en la sensibilidad de aproximadamente un 30 por ciento. Esta mayor sensibilidad significa que los detectores observarán una fracción mayor del Universo que antes y captarán señales de ondas gravitacionales a un ritmo mayor y más débiles. Se espera detectar una fusión cada dos o tres días.

La mayor sensibilidad permitirá a los científicos extraer más información física de los datos, lo que les permitirá probar mejor la Teoría General de la Relatividad de Albert Einstein e inferir la verdadera población de estrellas muertas en el universo local.

El detector Virgo todavía está en fase de actualización para aumentar su sensibilidad. Durante los últimos meses se logró identificar varias fuentes de ruido y se ha hecho un buen progreso en la sensibilidad.

KAGRA está ya funcionando con la sensibilidad que se planeó para el comienzo de la campaña.

Las primeras señales de ondas gravitacionales se detectaron en 2015. Dos años después, LIGO y Virgo detectaron una fusión de dos estrellas de neutrones, lo que provocó una explosión de tipo kilonova que fue observada posteriormente por docenas de telescopios en todo el mundo. Hasta ahora, la red global ha detectado más de 80 fusiones de agujeros negros, dos fusiones probables de estrellas de neutrones y algunos eventos que probablemente fueron fusiones de agujeros negros con estrellas de neutrones.

Al igual que en períodos de observación anteriores, en esta campaña se distribuirán públicamente alertas sobre candidatos para la detección de ondas gravitacionales.

Las ondas gravitacionales son producidas por grandes masas que se aceleran. Las ondas generadas estiran y comprimen cíclicamente la propia estructura del espacio-tiempo a medida que viajan. La mayoría de las ondas gravitacionales registradas hasta ahora han sido producidas por el movimiento en espiral de pares de agujeros negros en el proceso de fusionarse en uno, unas pocas se han producido de manera similar por la fusión de dos estrellas de neutrones o una estrella de neutrones y un agujero negro.

Recordemos que, para que esta emisión de ondas gravitacionales se dé, debe de haber cierta asimetría; en lenguaje técnico, que haya un momento cuadrupolar. Una esfera perfecta que gire no generará ondas gravitacionales, por muy masiva que sea. Por esta razón, las ondas que se detectan por la colisión de agujeros negros son las generadas justo en los momentos previos a la colisión e inmediatamente después a dicha colisión. Más tarde, una vez el nuevo agujero negro resultante del suceso se ha estabilizado, ya no se producen más ondas.

LIGO, Virgo y KAGRA se basan en el mismo concepto de interferómetría, consiste en dividir un rayo láser en dos y hacer rebotar los rayos resultantes entre dos espejos en cada extremo de dos tubería de vacío largas que forman una L. En LIGO estos brazos tienen cada uno 4 kilómetros de largo. En Virgo y KAGRA tienen 3 km. Los dos haces luego regresan y se superponen en un sensor que hay en el medio. En ausencia de perturbaciones en el espacio-tiempo, las oscilaciones de los haces se anulan entre sí. El paso de las ondas gravitacionales hace que los brazos cambien de longitud entre sí, de modo que las ondas no se superponen perfectamente y el sensor detecta una señal.

Este paso de ondas gravitacionales cambian la longitud de los brazos en solo una fracción del ancho de un protón, por lo que detectar estos cambios tan diminutos requiere un cuidadoso aislamiento del ruido proveniente del entorno y de los propios láseres.

Hasta ahora, LIGO y Virgo abordaron parte del problema del ruido con una técnica llamada compresión de luz. La implementación de esta tecnología ha ayudado a LIGO y Virgo a mejorar la sensibilidad de los detectores a las ondas gravitacionales de mayor frecuencia.

Pero la reducción de la incertidumbre en el tiempo de llegada de los fotones aumenta las fluctuaciones aleatorias en la intensidad de las ondas láser. Esto hace que los láseres empujen los espejos del interferómetro y los hagan vibrar, lo que añade ruido a la señal.

Para solucionar este problema se ha realizado un cambio importante en las instalaciones de LIGO y Virgo. Se han construido tubos de vacío extra de 300 metros de largo con espejos en los extremos para almacenar el haz auxiliar de «compresión» durante 2,5 ms antes de inyectarlo en el interferómetro. La idea es desplazar las ondas del láser auxiliar en distintas cantidades en función de sus longitudes de onda. Esto significa que la compresión será selectiva. Disminuirá el ruido a alta frecuencia y al mismo tiempo se reducirá la fluctuación del espejo a bajas frecuencias.

Las señales detectadas hasta ahora son el resultado de la fusión de objetos muy masivos. La gran esperanza es captar la señal gravitacional de una estrella que colapsa antes de explotar como supernova. Pero este logro solo será posible si el colapso ocurre en algún lugar de nuestra Vía Láctea. Otra meta futura es detectar las ondas gravitacionales continuas producidas por la rugosidad en la superficie de una estrella de neutrones giratoria.

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Fuentes y referencias:
Nota de prensa 1.
Nota de prensa 2.
Nota de prensa 3.
Cómo recibir alertas.
Ilustración LIGO India: Colaboración LIGO.