La nueva ola de ondas gravitacionales | espacio

aAproximadamente 10 billones de billones de billones de milisegundos. Al comienzo de la creación en el Big Bang, se cree que el universo experimentó un crecimiento corto pero absurdamente rápido. Este evento, llamado inflación, fue tan catastrófico que el tejido del espacio y el tiempo se sintonizó con las ondas gravitacionales (GW). En comparación, los GW que se descubrieron por primera vez hace seis años estaban causando un gran revuelo que eran pequeños asuntos de la colisión de agujeros negros. Pero ahora los científicos están en Europa espacio La ESA tiene la mira puesta en objetivos más grandes y espera poder detectar pronto los débiles ecos de los dolores de parto inflacionarios del universo, aproximadamente 14 mil millones de años después del evento, utilizando el instrumento más grande jamás fabricado. Cientos de veces más grande que la Tierra, el detector de ondas gravitacionales planeado por Esa flotará en el espacio y buscará oscilaciones en el espacio-tiempo causadas por todo tipo de convulsiones astrofísicas masivas.

El primer GW fue identificado en 2015 por el Observatorio de Ondas Gravitacionales del Interferómetro Láser (Ligo), un proyecto internacional cuyo éxito le valió el Premio Nobel de Física 2017 a tres de sus principales proponentes. Ligo consta de dos enormes detectores en los estados estadounidenses de Washington y Louisiana. Cada uno de ellos despliega dos túneles de 4 kilómetros (2,5 millas), que se cruzan en ángulo recto, en el que el rayo láser viaja a lo largo del espejo en el otro extremo y luego rebota. Las ondas de luz que regresan interfieren entre sí cuando los brazos se cruzan. Cuando GW lo atraviesa, se encoge muy levemente o alarga el espacio-tiempo. Dado que este efecto será diferente en cada brazo, cambia la sincronización de las ondas de luz y, por lo tanto, cambia la interferencia de los dos haces.

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LEGO no está solo. Un segundo descubrimiento de GW el día de Navidad de 2015 se confirmó más tarde en colaboración con el detector europeo Virgo, con sede en Italia. Un detector en Japón, llamado Kagra, comenzó a funcionar a principios del año pasado, y se planean otros dispositivos en India y China.

La mayoría de los agujeros negros vistos hasta ahora parecen ser causados ​​por la colisión de dos agujeros negros. Estas estrellas están formadas por estrellas muchas veces más masivas que nuestro sol, que se han quemado y colapsado bajo la influencia de su propia gravedad. Según la teoría general de la relatividad de Albert Einstein, que describe la gravedad como la distorsión del espacio-tiempo causada por la masa, el colapso puede continuar hasta que no quede nada más que una “singularidad” muy densa, que produce un campo gravitacional tan intenso que ni siquiera la luz puede escapar. de él.

La colisión de dos agujeros negros, un evento detectado por primera vez por el Observatorio de Ondas Gravitacionales Láser, o Ligo, se muestra en esta imagen fija de una simulación por computadora.
La colisión de dos agujeros negros, un evento detectado por primera vez por el Observatorio de Ondas Gravitacionales Láser, o Ligo, se muestra en esta imagen fija de una simulación por computadora. Foto: SXSproject

Si dos agujeros negros chocan debido a la atracción gravitacional del otro, pueden orbitarse entre sí y reducirse gradualmente hacia adentro hasta que se unan. La relatividad general predijo hace más de un siglo que tales eventos enviarían ondas GW a través del universo, aunque no hubo evidencia directa de ellos hasta el descubrimiento de LIGO. También pueden ser causados ​​por otros fenómenos astrofísicos extremos, como las fusiones de estrellas de neutrones: estrellas en llamas menos masivas que los agujeros negros que han detenido su colapso en el punto en el que consisten en materia tan densa que el dedal de una persona pesa hasta 50 m. elefante.

GW también puede ser producido por objetos mucho más grandes. En el centro de nuestra galaxia, y de muchas otras galaxias, hay un agujero negro supermasivo de varios millones de veces la masa de nuestro sol, formado por el colapso de estrellas y nubes de gas y polvo cósmico. Los objetos que entran en estos agujeros negros supermasivos generan GW que oscilan a frecuencias más bajas y longitudes de onda más largas que las pequeñas ondas de fusión de agujeros negros vistas por Ligo y Virgo.

Los detectores terrestres no pueden identificar estas cosas; sería como intentar atrapar una ballena en un cuenco de langosta. Para verlos, el detector de interferometría necesitaría brazos mucho más largos. Esto es complicado, ya que cada brazo de canal debe ser largo, recto y libre de vibraciones. Entonces, los investigadores planean en cambio hacer giroscopios de baja frecuencia en el espacio. El más avanzado de estos planes es el dispositivo que se está construyendo ahora para Esa: a: Interferómetro láser de antena espacial (Lisa).

LISA enviará láseres desde una nave espacial para rebotar en un espejo que flota libremente dentro de otra nave espacial. Con tres naves espaciales, puede crear una estructura en forma de L de doble brazo como Ligo. Pero los brazos no tienen que estar en ángulos rectos: en cambio, Lisa colocará sus tres naves espaciales a varios millones de millas de distancia en las esquinas del triángulo, y cada esquina se convertirá en uno de los tres detectores. Todo el grupo seguirá la órbita de la Tierra, siguiendo a nuestro planeta unos 30 metros.

Para probar la viabilidad de realizar interferometría láser en el espacio, en 2015 Esa lanzó un proyecto piloto llamado Lisa Pathfinder – La nave espacial demostró tecnología a pequeña escala. la misión, Completado en 2017, “nos dejó boquiabiertos”, dice Issa Paul McNamara, quien era el científico del proyecto que dirigía la misión. “Cumplió con nuestros requisitos desde el primer día, sin modificaciones ni nada”. Demostró que un espejo que flota dentro de una nave espacial puede permanecer increíblemente estacionario, oscilando no más de una milésima parte del tamaño de un solo átomo. Para mantenerlo estable, la nave espacial usa pequeños propulsores para responder a la fuerza de la luz proveniente del sol.

En otras palabras, dice McNamara, “Nuestra nave espacial era más estable que el tamaño del coronavirus”. Y lo es, también, porque LISA necesitaría detectar un cambio en la longitud del brazo que, debido a GW, es una décima parte del ancho de un átomo en más de un millón de millas.

Sin embargo, la liberación de Lisa no sucederá hasta dentro de al menos una década. “Tenemos tres satélites para construir, y cada uno tiene muchas partes”, dice McNamara. “Simplemente lleva tiempo, y ese es uno de los hechos desafortunados de una tarea muy compleja”. El próximo hito es la “adopción oficial de la misión”, prevista para 2024. “En este punto, conoceremos los detalles de la misión y qué países miembros de la ESA y Estados Unidos contribuyen, qué y cuánto cuesta. “dice el astrofísico Emmanuel Berti de la Universidad Jones. Hopkins en Baltimore.

Japón y China también se encuentran en las primeras etapas de planificación de los detectores espaciales GW. McNamara ve esto no como una competencia, sino como algo bueno, porque con más de un detector sería posible usar la triangulación para determinar la fuente de las ondas.

“Lisa cambiará la astronomía de GW de la misma manera que trasciende la luz visible [to radio waves, X-rays etc] Fue un cambio de juego en la astronomía ordinaria “, dice Bertie.” Observará diferentes clases de fuentes de GW “. Al estudiar las fusiones de agujeros negros supermasivos, dice,” esperamos comprender mucho sobre la formación de la estructura en el universo, y sobre la gravedad misma ”. Lisa ya había visto GW” primitivos “de la inflación a principios del Big Bang, por lo que esto podría poner a prueba las teorías sobre cómo comenzó todo.


TAquí puede haber otra forma de ver los GW de baja frecuencia que no requiere un detector especialmente diseñado. Una colaboración llamada Observatorio de Ondas Gravitacionales Nanohertz de América del Norte (NanoGrav) utiliza observaciones realizadas por una red global de radiotelescopios para buscar el efecto de los GW en la sincronización de “relojes cósmicos” llamados púlsares.

Los púlsares orbitan rápidamente alrededor de estrellas de neutrones que envían intensos rayos de ondas de radio desde sus polos, barriendo el cielo como rayos de faro. Las señales de Pulsar son muy regulares y predecibles. “Si un GW pasa entre el púlsar y la Tierra, distorsiona el espacio-tiempo superpuesto”, dice Stephen Taylor, miembro del equipo de NanoGrav, de la Universidad de Vanderbilt en Tennessee, lo que hace que el pulso llegue antes o después de lo esperado.

Telescopio Green Bank (GBT)
El Telescopio Green Bank (GBT) en el Observatorio Nacional de Radioastronomía en Virginia, parte del proyecto NanoGrav. Fotografía: John Arnold Images Ltd / Almy

De hecho, los púlsares se convierten en detectores. Como dice Julie Comerford, miembro del equipo de NanoGrav de la Universidad de Colorado en Boulder, esto le da a los brazos “detectores” tan largos como la distancia entre la Tierra y los púlsares: quizás miles de años luz. Debido a este gran tamaño, las señales que pueden ser detectadas por NanoGrav tienen longitudes de onda muy largas y frecuencias muy bajas, incluso más allá del alcance de LISA y producidas por agujeros negros supermasivos miles de millones de veces más grandes que el Sol, que se fusionan cuando colisionan galaxias enteras. . Taylor dice que ningún otro detector puede sentirlo. Si bien son inimaginablemente desastrosas, estas integraciones son en realidad bastante comunes, y NanoGrav tendrá el tipo de exageración que muchos de ellos hicieron. “En todo el universo, hay pares de agujeros negros supermasivos que orbitan entre sí y producen gigavatios”, dice Commerford. “Estas ondas producen un mar de GW que estamos balanceando”.

En enero, el equipo de NanoGrav fue dirigido por el investigador postdoctoral de Comerford Joseph Simon en Colorado Informar sobre el primer descubrimiento posible de este trasfondo de GW. Aunque se necesita más trabajo para verificar que la señal sea causada por GW, Commerford llama al resultado “el resultado astrofísico más emocionante que he visto en los últimos años”.

Si el NanoGrav está, de hecho, usando un detector GW que tiene un tamaño de años luz, el físico Sougato Bose de University College London cree que podemos hacer uno lo suficientemente pequeño como para caber dentro de un armario. Su idea se basa en uno de los efectos más inusuales de la teoría cuántica, que generalmente describe objetos muy pequeños como los átomos. Los objetos cuánticos se pueden colocar en lo que se llama superposición, lo que significa que sus propiedades no se determinan de forma única hasta que se miden: es posible más de un resultado.

Los científicos cuánticos pueden poner de forma rutinaria los átomos en una superposición cuántica, pero un comportamiento tan extraño desaparece para objetos grandes como balones de fútbol, ​​que están aquí o allá, miremos o no. Hasta donde sabemos, no es que la superposición sea imposible para algo tan grande; es imposible mantenerla el tiempo suficiente para ser detectado, porque la superposición se destruye fácilmente por cualquier interacción con el entorno del objeto.

Sougato Bose, físico del University College London, dirige un equipo de investigadores que planean llegar experimentalmente a la gravedad cuántica.
Sougato Bose, físico del University College London, dirige un equipo de investigadores que planean llegar experimentalmente a la gravedad cuántica. Foto: Cortesía de Sougato Bose

Bose y sus colegas sugieren que si pudiéramos crear una superposición cuántica de un objeto de tamaño mediano entre un átomo y una pelota de fútbol (un pequeño cristal de unos cien nanómetros de diámetro, aproximadamente del tamaño de una partícula viral grande), la superposición sería tan arriesgada que sería sensible a un GW transitorio. De hecho, se puede hacer que los dos estados potenciales de superposición cuántica se superpongan como dos ondas de luz, y las distorsiones espacio-temporales inducidas por GW aparecerían como un cambio en esta interferencia.

Bose cree que los nanocristales de diamantes que se mantienen en un vacío más que en el espacio exterior y se enfrían dentro de un filamento de cero absoluto se pueden mantener en superposición el tiempo suficiente para hacer el truco. No será fácil, pero dice que todos los desafíos técnicos ya se presentan individualmente, es una cuestión de ponerlos todos juntos. “No veo ningún impedimento para hacer eso durante los próximos 10 años, si hay suficiente financiamiento”, dice.

Si estos y otros desarrollos conducen a un auge en la astronomía GW, ¿qué veremos? “Cuando abres una nueva ventana al universo, normalmente ves cosas que no esperarías”, dice McNamara. Además de ver más tipos de eventos que ya sabemos que causan GW, podemos recibir señales que no podemos explicar fácilmente. “Ahí es cuando comienza la diversión”, dice McNamara.

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