Los físicos están buscando ondas gravitacionales en todo el espectro.
Simmetry Magazine
Crédito de la imagen: Artwork by Sandbox Studio, Chicago with Corinne Mucha
Por Diana Kwon, para Simmetry Magazine Octubre 25 de 2016
Las ondas gravitacionales, o ondas en el tejido del espacio-tiempo, han capturado la imaginación de los físicos desde que Albert Einstein los predijo por primera vez en 1916. Pero no fue hasta la década de 1960 cuando Joseph Weber, un físico experimental de la Universidad de Maryland la primera máquina significaba encontrarlos.
Cerca de 50 años después, los científicos finalmente lo hicieron; el observatorio de ondas gravitacionales del interferómetro láser detectó ondas gravitacionales provenientes de la fusión de dos agujeros negros.
Los agujeros negros fusionados que LIGO descubrió emiten ondas gravitacionales a frecuencias relativamente altas. Pero objetos más masivos, como los agujeros negros supermasivos y la fusión de galaxias, producen ondas con períodos más largos y frecuencias más bajas.
Los astrónomos están usando una amplia variedad de instrumentos para buscar ondas gravitacionales en estas diferentes frecuencias para detectar los eventos cósmicos que las producen.
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Detectores de masa resonante
El primer detector de ondas gravitacionales de Weber era un detector de barra resonante, o barra de Weber. Estos detectores son grandes barras de metal cilíndricas que vibran a sus frecuencias de resonancia cuando pasa una onda gravitacional, un poco como diapasones masivos.
Después de muchas generaciones siguiendo los primeros intentos de Weber, la mayoría de los detectores de masa resonante ahora están fuera de servicio. Los físicos los usan para buscar ondas gravitacionales en la región de 700 a 3000 hertz, donde esperan encontrar supernovas, fusionando estrellas de neutrones y posiblemente incluso mini agujeros negros. La principal limitación de estos instrumentos es que son sensibles a un rango de frecuencia muy pequeño.
Para aumentar sus posibilidades, algunos físicos decidieron pasar de un detector de resonancia de masa en forma de barra a uno esférico que podía detectar ondas gravitacionales en todas las direcciones y con cualquier polarización, no solo algunas.
Uno de los detectores esféricos construidos más recientemente es el detector de ondas gravitacionales Mario Schenberg, que ahora se encuentra en el Instituto Nacional de Investigaciones Espaciales (INPE) en Brasil. La esfera tiene alrededor de 65 centímetros de diámetro y pesa alrededor de 1.150 kilogramos.
Este proyecto aún está activo, aunque sus miembros ahora son parte de la colaboración de LIGO y dedican la mayor parte de su tiempo allí.
"Seguimos avanzando, lentamente, pero nuestro objetivo es hacer que estos detectores funcionen en unos cinco o diez años a partir de ahora", dice Odylio Denys Aguiar, físico del INPE y líder del proyecto.
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Interferómetros terrestres
Los interferómetros terrestres son probablemente los detectores de ondas gravitacionales más conocidos, gracias al avance de LIGO. Estos detectores tienen dos brazos que tienen forma de L. En el caso de LIGO, cada brazo tiene 4 kilómetros de largo.
En los interferómetros terrestres, los físicos dividen un rayo láser y lo envían por cada brazo. La viga rebota en los espejos de cada extremo, yendo y viniendo. Una onda gravitacional pasajera cambia las longitudes relativas de los brazos ligeramente y cambia la trayectoria del haz, creando un cambio que los físicos pueden identificar.
Estos observatorios pueden detectar longitudes de onda cortas, principalmente con frecuencias en el rango de cientos de hercios, haciéndolos sensibles a las fusiones de estrellas de neutrones y agujeros negros que son entre unas pocas veces y decenas de veces la masa del sol.
Hay varios interferómetros terrestres, tanto activos como en construcción. LIGO opera desde observatorios gemelos en Luisiana y el estado de Washington. Hay planes para construir un tercer observatorio LIGO en India. Virgo y GEO600, que tienen configuraciones similares pero brazos más cortos, se encuentran en Italia y Alemania, respectivamente. KAGRA, un interferómetro subterráneo, está en construcción en Japón.
Estos detectores son sensibles a un rango similar de frecuencias, pero hay una ventaja clave para tener muchos detectores en diferentes partes del mundo. Los detectores de ondas gravitacionales actúan como micrófonos, examinando parches masivos del cosmos desde todas las direcciones. Esto aumenta sus posibilidades de encontrar signos de ondas gravitacionales, pero también hace que sea difícil ver de dónde vienen exactamente. Tener más de un detector permite a los físicos triangular una señal para ubicar mejor su posición en el cielo.
Crédito de la imagen: Artwork by Sandbox Studio, Chicago with Corinne Mucha
Interferómetros espaciales
Algunos astrónomos planean llevar la astronomía de ondas gravitacionales al espacio. La Antena espacial de interferómetro láser (LISA) tiene una configuración similar a LIGO, excepto con tres brazos de más de un millón de kilómetros de largo. En lugar de una L-forma, LISA formaría un triángulo equilátero que orbita el sol, con un satélite colocado en cada uno de los vértices. Al igual que en LIGO, un rayo láser iría y desaparecería a lo largo de los brazos, y los físicos podrían detectar cambios en la longitud de los brazos a medida que pasaba una onda gravitacional.
La colaboración de LISA espera lanzar un observatorio espacial alrededor de 2034. Hasta ahora, han lanzado el LISA Pathfinder, una versión corta de uno de los brazos del observatorio, para probar qué tan bien funciona.
"Con el éxito de LISA Pathfinder, ya sabemos que podemos hacer gran parte de la misión", dice Martin Hewitson, físico del Instituto Max Planck de Física Gravitacional que trabaja tanto en LISA como en LISA Pathfinder. "De modo que hay mucho impulso científico y político para que esta misión suceda antes".
En el espacio, el detector será sensible a frecuencias mucho más bajas que las basadas en tierra; en el caso de LISA, las frecuencias en el rango de milihercios. Aquí, los astrónomos esperan ver ondas gravitacionales de fusiones de los agujeros negros supermasivos en el centro de las galaxias. "Al observar esto y cómo evolucionan, hay una esperanza de rastrear cómo estas galaxias se fusionaron y cómo estos agujeros negros han crecido durante todo el tiempo cósmico", dice Hewitson.
Crédito de la imagen: Artwork by Sandbox Studio, Chicago with Corinne Mucha
Matrices de tiempo Pulsar
Los pulsares, estrellas de neutrones giratorias que emiten constantemente haces de radiación electromagnética, son cronometradores naturales. De éstos, los púlsares de milisegundos son los más regulares, hasta el punto de que los astrónomos pueden predecir el momento en que llegarán a la Tierra con una precisión de nanosegundos.
Los físicos usan matrices de sincronización de pulsar para buscar ondas gravitacionales. Cuando pasa una onda gravitacional, el espacio-tiempo se deforma entre el púlsar y la tierra. Esto cambia el tiempo de llegada de los pulsos, que los físicos pueden detectar con radiotelescopios.
"Con LIGO, intentan detectar una deformación mucho más pequeña que el diámetro de un protón en un instrumento de muchos kilómetros de longitud, una firma increíblemente pequeña", explica Shami Chatterjee, astrónomo de la Universidad de Cornell que trabaja en el Nanohertz de América del Norte. Observatorio de las ondas gravitacionales (NANOGrav). "Para las matrices de sincronización de pulsar, es la misma escala: nuestros brazos tienen cientos o miles de años luz, pero estamos tratando de medir el mismo tipo de cambio fraccional".
Esta técnica es sensible incluso a frecuencias más bajas que LISA, en el rango de nanohercios. Aquí, los científicos esperan ver un fondo estocástico de la fusión de agujeros negros supermasivos (la suma de todas las fusiones), agujeros negros supermasivos binarios, así como fuentes más exóticas, como cuerdas cósmicas y explosiones de memoria, la huella permanente en el espacio-tiempo detrás fusionando agujeros negros supermasivos.
Hay tres experimentos principales de matriz de temporización de pulsar en operación: NANOGrav, la matriz de sincronización Pulsar europea y la matriz de temporización de Parkes Pulsar en Australia.
Crédito de la imagen: Artwork by Sandbox Studio, Chicago with Corinne Mucha
Detectores de fondo de microondas cósmicos
Finalmente, los astrónomos también están buscando ondas gravitatorias primordiales. Estas son olas creadas en el caos del primer universo.
Una de las formas en que los astrónomos hacen esto es bastante diferente de las técnicas descritas anteriormente. En lugar de observar la luz en movimiento que se origina en un láser o pulsar, miran una imagen fija de la luz que quedó del momento justo después del Big Bang, el fondo cósmico de microondas, e intentan ver evidencia de ondas gravitacionales impresas en ella.
"Es la diferencia entre encontrar algo que se mueve arriba y abajo en el océano y tomar una instantánea del océano y ver las crestas y valles", dijo Chatterjee.
Esto es extremadamente difícil porque hay muchas fuentes de ruido, lo que hace que la hazaña sea similar a encontrar una pequeña ondulación específica en una piscina mientras la gente chapotea en ella.
Los interferómetros y las matrices de sincronización de púlsar también están buscando estas ondas antiguas. "El fondo de la onda gravitacional primordial puede, en principio, ser observado en un rango muy amplio de frecuencias, desde muy bajas a muy altas", dijo Pablo Rosado, un astrofísico de la Universidad de Monash que estudia la detección de ondas gravitacionales. Pero según Rosado, detectores como LIGO podrían no ver esta señal porque puede haber demasiados agujeros negros binarios enmascarados.
El descubrimiento de LIGO fue solo el comienzo. Así como el espectro electromagnético abarca desde ondas de radio largas hasta rayos gamma cortos, el espectro de ondas gravitacionales se extiende a través de una amplia gama de frecuencias que requieren instrumentos muy diferentes para encontrar. Los astrónomos esperan que, en conjunto, estos detectores encuentren las señales invisibles que les ayuden a comprender el universo desde una nueva perspectiva.
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