Gravitacional

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LIGO puede detectar ondas gravitacionales que se generan cuando chocan dos agujeros negros. Crédito: El Proyecto SXS

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Después de un paréntesis de tres años prolongado por los problemas de la pandemia, se ha reanudado la búsqueda de ondas gravitacionales, ondas en el espacio-tiempo que son el sello distintivo de la colisión de agujeros negros y otros cataclismos cósmicos.

El Observatorio de ondas gravitacionales con interferómetro láser (LIGO), que tiene dos detectores masivos en Hanford, Washington, y Livingston, Louisiana, ahora se reinicia con una sensibilidad mejorada después de una actualización multimillonaria. Las mejoras deberían permitir que la instalación capte señales de los agujeros negros en colisión cada dos o tres días, en comparación con una vez por semana durante su ejecución anterior en 2019-20.

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El detector Virgo cerca de Pisa, Italia, que se sometió a su propia actualización de € 8,4 millones (US $ 9 millones), estaba destinado a unirse, pero los problemas técnicos obligan a su equipo a extender su cierre y realizar más mantenimiento. "Nuestra expectativa es que podamos reiniciar a fines del verano o principios del otoño", dice el portavoz de Virgo, Gianluca Gemme, físico del Instituto Nacional de Física Nuclear de Italia en Génova.

KAGRA, un detector de ondas gravitacionales ubicado debajo del monte Ikenoyama, Japón, también se reiniciará el 24 de mayo. Su tecnología, aunque más avanzada —se inauguró en 2020—, se está perfeccionando y su sensibilidad aún es más baja que la de LIGO en 2015. El investigador principal Takaaki Kajita, físico ganador del Premio Nobel de la Universidad de Tokio, dice que KAGRA se unirá a la ejecución de LIGO durante un mes y luego se cerrará nuevamente para otro período de puesta en marcha. En ese momento, el equipo enfriará los cuatro espejos principales del interferómetro a 20 Kelvin, dice Kajita, una característica que distingue a KAGRA de los otros detectores que servirán como modelo para los observatorios de próxima generación.

Las ondas gravitacionales son producidas por grandes masas aceleradas, y las ondas estiran y comprimen cíclicamente la estructura del espacio a medida que viajan. Comenzando con la histórica primera detección de LIGO en 2015, la mayoría de los aproximadamente 90 eventos de ondas gravitacionales registrados hasta ahora han sido del movimiento en espiral de pares de agujeros negros en el proceso de fusionarse en uno; un puñado se ha producido de manera similar por la fusión de dos estrellas de neutrones o una estrella de neutrones y un agujero negro.

LIGO, Virgo y KAGRA se basan en el mismo concepto de interferómetro, que consiste en dividir un rayo láser en dos y hacer rebotar los rayos resultantes entre dos espejos en cada extremo de una tubería de vacío larga. (En LIGO, los dos 'brazos' del interferómetro 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 en el medio. En ausencia de perturbaciones en el espacio-tiempo, las oscilaciones de los haces se anulan entre sí. Pero 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.

El detector LIGO en Livingston, Louisiana, es uno de un par con sede en los Estados Unidos. Crédito: Xinhua/Caltech/MIT/LIGO Lab

Los eventos típicos de ondas gravitacionales cambian la longitud de los brazos en solo una fracción del ancho de un protón. Detectar cambios tan diminutos requiere un cuidadoso aislamiento del ruido proveniente del entorno y de los propios láseres.

En las actualizaciones realizadas antes de la ejecución de 2019-20, LIGO y Virgo abordaron parte de este ruido con una técnica llamada compresión de luz. Este enfoque se ocupa del ruido inherente causado por el hecho de que la luz está compuesta de partículas individuales: cuando los haces llegan al sensor, cada fotón individual puede llegar un poco demasiado pronto o demasiado tarde, lo que significa que las ondas láser no se superponen y cancelan. perfectamente incluso en ausencia de ondas gravitacionales.

"Es como dejar caer un balde de BB [perdigones de plomo]: va a hacer un fuerte silbido, pero todos golpean al azar", explicó el físico Lee McCuller mientras mostraba un prototipo de los interferómetros LIGO en el Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) en Cambridge. La compresión de luz inyecta un rayo láser auxiliar en el interferómetro que reduce ese efecto. "Sus fotones llegan más regularmente, con menos ruido", dijo McCuller, quien ahora trabaja en el Instituto de Tecnología de California en Pasadena.

La implementación de la compresión de luz ha ayudado a LIGO y Virgo a mejorar la sensibilidad de los detectores a las ondas gravitacionales de mayor frecuencia.

Pero debido a las extrañas reglas de la mecánica cuántica, 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, agregando un tipo diferente de ruido y reduciendo potencialmente su sensibilidad a las ondas gravitacionales de baja frecuencia. Esta es una "hermosa manifestación de la naturaleza", dice el experimentador del MIT Nergis Mavalvala, quien ayudó a liderar el desarrollo de la tecnología de compresión. "No puedes hacer una medición infinitamente precisa: tienes que pagar el precio en otro lugar", dice.

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Para solucionar este problema, un cambio importante en las actualizaciones más recientes de LIGO y Virgo ha sido la construcción de tubos de vacío extra de 300 metros de largo con espejos en los extremos, para almacenar el haz auxiliar de "compresión" durante 2,5 milisegundos antes inyectándolo en el interferómetro. La función de estos conductos 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 reducirá la fluctuación del espejo a bajas frecuencias.

La física del MIT Victoria Xu formó parte del equipo que ajustó el nuevo sistema de compresión en el laboratorio Hanford de LIGO, y recuerda la agradable sorpresa cuando se encendió por primera vez en noviembre pasado. "Las cosas funcionaron casi exactamente como cabría esperar", dice ella.

Con la sensibilidad mejorada de los detectores, los investigadores podrán extraer información más detallada sobre los objetos en espiral que producen ondas gravitacionales, incluido cómo gira cada uno alrededor de su eje y cómo giran entre sí. Esto significa someter a pruebas más estrictas que nunca la teoría general de la relatividad de Albert Einstein, que predice la existencia de agujeros negros y ondas gravitacionales. La gran cantidad de observaciones mejorará el panorama general de cómo y con qué frecuencia se forman los agujeros negros a partir de estrellas masivas que colapsan sobre sí mismas.

Los astrofísicos también anticipan que las ondas gravitacionales revelarán distintos tipos de señales además de las de las fusiones de agujeros negros. Una gran esperanza es captar la señal gravitacional de una estrella que colapsa antes de que se manifieste como una explosión de supernova, una hazaña que solo será posible si el colapso ocurre en algún lugar de la Galaxia. Otra ambición es sentir las ondas gravitatorias continuas producidas por la rugosidad en la superficie de un púlsar, una estrella de neutrones giratoria que emite pulsos de radiación.

La familia de interferómetros se ampliará a finales de la década. El gobierno indio ha anunciado que financiará LIGO-India, una réplica de los observatorios estadounidenses que se construirá en parte con los componentes de repuesto de LIGO.

Naturaleza618, 13-14 (2023)

doi: https://doi.org/10.1038/d41586-023-01732-4

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