LIGO: Detección de ondas gravitacionales con óptica de precisión

Viendo la gravedad: cómo LIGO detecta las ondas gravitacionales

La historia de la astronomía está ligada al progreso de los telescopios, que nos revelan progresivamente más del Universo. Comenzó con el telescopio primitivo de Galileo y otros pioneros, y continúa hoy.

Hemos cubierto varios de estos nuevos megaproyectos de telescopios, por ejemplo:

• DKIST, el telescopio solar más potente del mundo.
• El telescopio espacial James Webb, ubicado a millones de millas de la Tierra.
• El Observatorio Vera C. Rubin, un telescopio de estudio que observa todo el cielo a la vez.
• SKAO (Observatorio de kilómetros cuadrados), estudiando el cielo en el espectro de ondas de radio.
• DUNE (Experimento de neutrinos subterráneos profundos), detectando neutrinos esquivos.

Está surgiendo un nuevo tipo de astronomía que lo estudia de una manera totalmente novedosa: en lugar de medir la luz y la longitud de onda de las ondas electromagnéticas, mide las ondas gravitacionales.

Hasta hace relativamente poco, solo teóricas, ahora las ondas gravitacionales son un fenómeno comprobado. Un proyecto busca maneras de medirlas: Observatorio de interferómetro láser de ondas gravitacionales (LIGO).

Medición de la gravedad con astronomía de ondas gravitacionales

Durante mucho tiempo se creyó que la gravedad era “sólo” una de las fuerzas fundamentales del universo, como el electromagnetismo o la fuerza que impulsa las fuerzas nucleares a nivel atómico.

Pero a finales del siglo XX^th En el siglo XIX, la teoría de la relatividad de Einstein describió la gravedad como la curvatura del espacio-tiempo.

Su teoría no sólo describió correctamente cómo funciona la gravedad para objetos muy grandes como las estrellas, sino que también predijo muchos fenómenos espaciales aún por descubrir, como las estrellas de neutrones y los agujeros negros.

Otra predicción fueron las ondas de gravedad, que provocaban que el espacio se estirara y se comprimiera como ondas que se propagaban en la superficie de un lago.

A diferencia de una onda de luz normal o incluso de una ola de agua oceánica, una onda gravitacional no es transportada por ninguna partícula. En cambio, se produce cuando el propio tejido del espacio-tiempo se ondula o vibra. 

Es probable que algún evento fuera lo suficientemente masivo como para generar ondas gravitacionales lo suficientemente fuertes como para ser medidas, como, por ejemplo, la colisión de dos agujeros negros entre sí.

Sin embargo, por muy potente que sea un fenómeno de este tipo en términos absolutos, la enorme distancia entre la Tierra y su fuente, y la dificultad de intentar medir el espacio-tiempo en sí, implican que es necesario diseñar un instrumento ultrasensible para detectar estos eventos.

Cuando las ondas gravitacionales llegan a la Tierra, a millones o miles de millones de años luz de distancia, son... miles de miles de millones de veces más pequeño.

Es por esto que se conceptualizaría un instrumento tan impresionante como LIGO.

En el caso de las ondas gravitacionales detectadas por primera vez por LIGO, la cantidad de oscilación espacio-temporal que generaron fue 10,000 veces mayor. más pequeño que el núcleo de un átomo!

Cómo los interferómetros detectan las ondas gravitacionales

La primera prueba indirecta de la existencia de ondas gravitacionales se obtuvo mediante el estudio de la órbita de un púlsar binario. La pérdida de energía por desintegración orbital coincidió con la energía prevista que se perdería al generar ondas gravitacionales. Los científicos responsables de este descubrimiento ganaron el Premio Nobel de Física de 1993..

Fuente: Premio Nobel

La medición directa requería un tipo de prueba diferente: un interferómetro. La idea básica de un interferómetro es aprovechar la interacción entre haces de luz. Si dos ondas de luz tienen la misma longitud de onda, se superponen y crean un patrón de puntos oscuros y brillantes.

Pero si algo cambia estas longitudes de onda, se puede medir la perturbación.

Como la expansión y contracción del espacio-tiempo de las ondas gravitacionales también expanden y contraen uno de los brazos del interferómetro más que el otro, esto crea un efecto detectable y medible de ondas gravitacionales.

LIGO – Un logro que ganó el Nobel

En su forma más simple, LIGO consta de dos brazos largos, por los que se emite luz, cada uno de 2 km (4 millas). La escala del brazo permite detectar incluso la variación más mínima, ya que cuanto más largos sean los brazos, menores serán las mediciones que puede realizar.

Se envía un rayo láser por un brazo del interferómetro, que se divide en dos. Ambos rayos se reflejan tras incidir en un espejo.

Normalmente, cada rayo láser debería cancelarse entre sí.

Pero si un brazo se contrae o se extiende más que el otro por una onda gravitacional, la interferencia entre los rayos láser se detiene y se detecta una señal luminosa.

Fuente: Premio Nobel

En 2015, el Observatorio de ondas gravitacionales con interferometría láser de la Fundación Nacional de Ciencias de Estados Unidos (NSF LIGO) confirmó la detección de las ondas creadas por la colisión de agujeros negros a 1.3 millones de años luz de la Tierra.

Esta obra pionera se ganó Los físicos Rainer Weiss, Barry Barish y Kip Thorne recibieron el Premio Nobel de Física 2017..

Construyendo LIGO

En principio, LIGO es un concepto relativamente simple, fácil de entender una vez que logramos comprender el concepto de ondas gravitacionales y tenemos un mínimo de conocimiento de luz y láser.

Construir un sistema lo suficientemente preciso para poder detectar variaciones de longitud de 1/10,000^th de un átomo es otra historia.

Se construyeron dos instalaciones similares, una en el noroeste de Estados Unidos y otra en Luisiana, separadas por unos 3,000 kilómetros (1860 millas).

Fuente: Premio Nobel

La doble instalación funciona como confirmación, ya que su gran distancia significa que una onda gravitacional tendrá un “desfase” de siete segundos entre ambas, mientras genera la misma señal.

Por lo tanto, aunque siempre se podría considerar que una sola detección es un posible error o una perturbación local, es casi imposible que ocurra lo mismo en ambos lados de los EE. UU. exactamente en el intervalo de tiempo previsto.

Las instalaciones dobles también ofrecen una ventaja invaluable: la posibilidad de triangular la señal. Esto nos permite delimitar la región del cielo de donde podría provenir, la cual es posteriormente identificada por astrónomos profesionales que encontrarán el objeto estelar responsable.

La búsqueda de LIGO de una precisión de medición sin precedentes

El primer obstáculo técnico es que la longitud de onda e intensidad de la luz láser deben ser lo más estables posible. Sin ella, las fluctuaciones aleatorias podrían malinterpretarse como la señal de una onda gravitacional.

El haz debe incidir con precisión en los espejos suspendidos. Estos espejos no deben moverse en absoluto.

Apenas deberían temblar, ni siquiera cuando caen las hojas de los árboles cercanos, un niño corre o un camión pasa por una carretera lejana. Al mismo tiempo, estos espejos colgantes deben poder oscilar libremente con el paso de las ondas gravitacionales.

También es necesario compensar pequeñas variaciones no debidas a la gravedad, por ejemplo:

• El movimiento térmico de los átomos en la superficie de los espejos.
• Efectos cuánticos en el láser.
• Sacudidas sísmicas.
• Cualquier impureza del aire interferiría, lo que requeriría que todo el experimento se llevara a cabo en tubos de vacío masivos.

En teoría, brazos de más de 4 km proporcionarían mediciones aún más precisas, pero en la práctica hay un límite práctico respecto del tamaño que puede tener el interferómetro construido.

Como resultado, rápidamente se hizo evidente que, además de los trabajos preliminares, este proyecto requería mucho más presupuesto y experiencia técnica de la que un pequeño equipo de investigación podía proporcionar.

Así, en 1994, el científico Barry Barish de CalTech transformó el pequeño grupo de investigación de unas 40 personas en una colaboración internacional a gran escala con más de mil participantes, con una financiación inicial de 395 millones de dólares.

Se necesitarían 200 millones de dólares en total para lograr el avance de 2015, cuando LIGO recibió láseres 10 veces más potentes, espejos que pesaban 40 kilos, filtrado de ruido altamente avanzado y uno de los sistemas de vacío más grandes del mundo.

Estabilización sísmica

Así como la Tierra nunca es perfectamente estable, tampoco lo son los espejos de LIGO sin estabilizadores sísmicos.

En los espejos se instaló un primer sistema de reducción pasiva de vibraciones: un complejo sistema de péndulo que absorbe las vibraciones y evita que se transfieran a la siguiente pieza.

En conjunto, esta estructura es tan eficaz para reducir las vibraciones que cualquier partícula presente en la parte superior de la suspensión se vuelve 100 millones de veces más pequeña cuando alcanza la masa de prueba.

Fuente: LIGO

Incluso esto no fue suficiente, por lo que se complementa con un sistema de estabilización activa. Los sismómetros ubicados alrededor de cada observatorio detectan diversos movimientos del terreno y envían estas señales a una computadora que las combina y determina los contramovimientos.

Fuente: LIGO

La ausencia de vibraciones fue un criterio clave al elegir el emplazamiento para la construcción de los interferómetros. No solo se necesitaba mucho espacio libre, sino también que no hubiera actividad humana que generara vibraciones, equivalentes a la contaminación lumínica para la detección de ondas gravitacionales.

Óptica

Con un peso de 40 kg cada una y suspendidas en la base de las suspensiones, las ópticas de LIGO están hechas de materiales ultrapuros dispuestos en capas de espesor nanométrico. Están recubiertas con materiales que reflejan todos los fotones menos uno de cada 5 millones que inciden en ellas.

Láseres

El núcleo del experimento, los láseres, deben tener una longitud de onda muy estable para mantener consistente el patrón de interferencia, y solo verlo interrumpido por ondas gravitacionales.

Los láseres comerciales no habrían sido tan precisos. Por ello, el láser de LIGO fue diseñado específicamente para ser uno de los láseres más estables y prístinos de su tipo jamás inventado.

Aspiradora

Para reducir cualquier interferencia del aire o partículas flotantes, las pruebas se realizan en condiciones de ultra alto vacío.

También elimina el riesgo de que se acumule polvo en los espejos, que sería incinerado por el láser y destruiría los espejos de 2 millones de dólares.

La presión atmosférica dentro de los brazos de LIGO es una billonésima la del nivel del mar, lo que significa que hay sólo unos 10 millones de moléculas por centímetro cúbico.

Logros de LIGO

Después del descubrimiento inicial de la colisión de agujeros negros en 2015, el observatorio midió muchos otros eventos de alta energía en el Universo:

• En 2016 se produjo otra fusión de agujeros negros, cada uno de unas 30 masas solares, que se localizó a una distancia de hasta 1.3 millones de años luz, o casi 1/10^thde la distancia de todo el universo observable.
• Una tercera y luego una cuarta fusión de agujeros negros en 2017.

Posteriormente, LIGO estuvo cerrado por mejoras hasta 2019, antes de ser interrumpido por la pandemia. Los científicos aprovecharon la ocasión para realizar nuevas mejoras y ampliar la red con VIRGO, la instalación hermana europea ubicada en las afueras de Pisa, Italia.

El futuro de LIGO

Las mejoras anteriores han llevado a LIGO a realizar no menos de 79 detecciones de ondas gravitacionales en los últimos años, creando un extenso catálogo de eventos que involucran estrellas de neutrones y agujeros negros para que otros astrónomos los identifiquen con precisión y los comprendan mejor.

Una futura mejora importante será la sustitución de los espejos actuales de 40k por espejos de 100kg, junto con sistemas de suspensión mucho más grandes.

La sensibilidad adicional debería ayudar a encontrar más información sobre la gravedad en el Universo.

Otro campo de investigación son las "ondas gravitacionales explosivas". Estas ondas de corta duración, provenientes de fuentes desconocidas o imprevistas, son solo teóricas y difíciles de detectar, por lo que los analistas que operan LIGO deben ser receptivos a la pregunta de qué es o no una señal válida.

También podríamos detectar ondas gravitacionales de sistemas desconocidos. Para buscar este tipo de ondas gravitacionales, no podemos asumir que tendrán propiedades bien definidas como las que los científicos de LIGO han modelado previamente.

“Esto significa que no podemos limitar nuestros análisis a la búsqueda únicamente de las firmas de las ondas gravitacionales que los científicos han predicho”.

Otros detectores de ondas gravitacionales

También se está discutiendo la próxima generación de interferómetros, en particular  Explorador cósmico, un interferómetro con 40 km de largo brazos, o el telescopio einstein, un detector triangular con brazos de 10 km de largo enterrado a gran profundidad.

Otro proyecto que podría verse en el futuro es un enorme detector de ondas gravitacionales basado en el espacio: LISAAntena Espacial de Interferómetro Láser. Ya está siendo diseñada y probada por un proyecto liderado por la Agencia Espacial Europea que operará tres naves espaciales en formación triangular, con una distancia entre cada satélite de 2.5 millones de kilómetros.

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Conclusión

LIGO es un proyecto muy impresionante, ya que pasó de ser el primer experimento de su tipo a validar inmediatamente la existencia de ondas gravitacionales.

A primera vista, un proyecto como LIGO podría parecer puramente académico. Esto rara vez ocurre, aunque sus aplicaciones directas puedan parecer difíciles de imaginar al principio.

Por ejemplo, la teoría de la relatividad de Einstein se utiliza hoy en día de forma rutinaria para calibrar las posiciones de los satélites GPS, una aplicación que era difícil de imaginar como una necesidad comercial diaria en 1919.

De manera similar, LIGO está impulsando a los científicos a inventar espejos, sistemas de estabilización y láseres cada vez más precisos, con niveles de ingeniería de clase mundial.

Es probable que estas innovaciones den frutos en cualquier tecnología que utilice estos dispositivos, incluidas las tecnologías informáticas o espaciales avanzadas.

Invertir en óptica avanzada

Corning Incorporated

A medida que los telescopios amplían lo que es posible en términos de fabricación de precisión de vidrio avanzado, esto también abre muchas posibilidades industriales en sectores tan variados como el automotriz, los semiconductores, la inteligencia artificial, la defensa, la biotecnología, la atención médica, etc. El mercado de la óptica avanzada es un mercado de 310 mil millones de dólares y se espera que crezca a una tasa de crecimiento anual compuesta (CAGR) del 9.2 % hasta 2032..

Corning es una empresa de vidrio y óptica con 170 años de existencia. A lo largo de su historia, produjo las primeras bombillas de vidrio para la luz eléctrica de Thomas Edison, la primera fibra óptica de baja pérdida, los sustratos celulares que habilitan los convertidores catalíticos y el primer vidrio de cubierta resistente a daños para dispositivos móviles.

Fuente: Corning

En la actualidad, la empresa se centra en las tecnologías centrales de fabricación de vidrio y cerámica y en las tecnologías de física óptica, que comparten procesos de fabricación y mercados finales comunes.

Fuente: Corning

Esta interconexión de tecnologías permite a la empresa compartir capacidades comunes de fabricación, investigación e ingeniería entre sus diferentes líneas de productos. Con más de 52,000 empleados, más de 77 plantas de fabricación en todo el mundo y más de 10 centros de I+D, la empresa es un actor clave en su nicho.

Fuente: Corning

La empresa se está beneficiando del auge de la inteligencia artificial y la construcción de centros de datos (fibra óptica), así como del consumo general de vidrio especial en pantallas y biotecnología.

Corning no debería verse muy afectado por los aranceles, ya que el 90 % de sus ingresos en EE. UU. provienen de productos de origen estadounidense. Muy pocas de las ventas realizadas en China se originaron en instalaciones estadounidenses, y el 80 % de las ventas chinas se realizaron en China.

Los aranceles podrían incluso ayudar, ya que Corning está entrando al mercado de paneles solares con el control estratégico de Hemlock Solar, para producir paneles fabricados en Estados Unidos, ya que los paneles solares asiáticos (no sólo los chinos) están siendo sometidos a aranceles de cuatro dígitos. El 80% de la capacidad ya ha sido asegurada por los compromisos de los clientes.

La energía solar tiene mucho sentido para la empresa, ya que el manejo del silicio es una experiencia de fabricación fundamental de la empresa, habiendo producido polisilicio durante 60 años, incluido silicio ultrapuro (99.9999999999 % puro) y ahora lanzando la producción de obleas de silicio, un producto importado al 100 % en los EE. UU.

Fuente: Corning

La empresa también está estudiando otras tecnologías avanzadas en las que su experiencia en vidrio y cerámica podría proporcionar una ventaja sólida, incluido el vidrio flexible, la realidad aumentada, la captura de carbono, etc.

Fuente: Corning

En general, Corning es una empresa altamente técnica, con una fabricación localizada que no debería verse afectada por la desglobalización. Además, se abre a nuevos mercados que se ajustan a sus competencias principales, en particular la energía solar y la infraestructura de comunicaciones ópticas/IA. Esto la convierte no solo en una empresa relativamente conservadora que solo profundiza en su nicho, sino también en una acción con potencial de crecimiento en los mercados de alta tecnología.

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