Los átomos fríos en el espacio podrían apuntar a las ondas gravitacionales
http://images.iop.org/objects/phw/news/thumb/21/11/27/2017-11-21-waves.jpg
Las ondas gravitacionales llegaron a los titulares en febrero del año pasado cuando la colaboración LIGO anunció que las había detectado directamente por primera vez usando un par de interferómetros láser enormes en los EE. UU. Con otros cinco avistamientos registrados desde entonces por LIGO y su homólogo europeo, Virgo , los científicos han comenzado a abrir lo que llaman una nueva ventana al universo. Ahora, con ganas de abrir esa ventana lo más posible, varios grupos han propuesto enviar interferómetros atómicos al espacio para observar las ondas gravitacionales que son difíciles de interceptar en el suelo.
Las ondas gravitacionales son ondulaciones en el espacio-tiempo que crean pequeñas expansiones periódicas y contracciones del espacio a lo largo de ejes ortogonales a medida que se propagan hacia adelante. Y, como cualquier onda, vienen en un rango de frecuencias. LIGO, que representa el observatorio de onda gravitacional del interferómetro láser, los detecta al monitorear un cambio en la fase relativa de dos rayos láser perpendiculares. Sin embargo, a frecuencias inferiores a unos 10 Hz, esta señal tiende a ahogarse por las fuentes de ruido terrestres, como las ondas sísmicas.
Masas flotantes
Para evitar tal interferencia y detectar ondas de baja frecuencia, los físicos están ansiosos por lanzar interferómetros a la tranquilidad del espacio. La Antena Espacial del Interferómetro Láser (LISA) de 1.500 millones de euros consistiría en tres naves espaciales ubicadas a millones de kilómetros de distancia en una formación triangular, y detectaría ondas gravitatorias monitoreando la interferencia entre rayos láser rebotando y retrocediendo en masas de prueba flotantes dentro de cada astronave. Propuesto por primera vez hace unos 25 años, el proyecto sufrió una serie de problemas de financiación y solo se insertó oficialmente en el programa de ciencias de la Agencia Espacial Europea en junio de este año, tras la finalización con éxito de su predecesor LISA Pathfinder . Su lanzamiento está planeado para 2034.
“Quantum sensors might allow a reduction of costs, complexity, risks and permit an increased range of observation,”
Guglielmo Tino, University of Florence
According to Guglielmo Tino of the University of Florence in Italy, however, a mission based on the interference of matter waves could potentially be cheaper than one requiring laser interference. That is because while LISA needs at least three spacecraft to carry out multiple measurements of any passing gravitational wave – otherwise an apparent signal might simply be due to random fluctuations in laser frequency – an atomic interferometer could get away with two. “Quantum sensors might allow a reduction of costs, complexity, risks and permit an increased range of observation,” says Tino.
A principios de este mes, los físicos de la Universidad de Stanford y la Universidad de California Berkeley delinearon los planes para el sensor interferométrico de onda gravitacional atómica de banda media (MAGIS). Consistiría en dos satélites colocados a unos 40,000 km de distancia en órbita alrededor de la Tierra, cada uno de los cuales contendría un conjunto de átomos de estroncio ultrafríos que entrarían y saldrían de la superposición mediante un láser disparado entre los satélites. Cualquier onda gravitacional que pasara cambiaría el tiempo de vuelo del láser, dando como resultado diferentes desplazamientos de fase relativos entre los dos brazos del interferómetro en cada nave espacial.
Fuentes cosmológicas especulativas
En efecto, dice Mark Kasevich de Stanford, los interferómetros servirían como relojes atómicos mientras que el rayo láser iniciaría y detendría esos relojes a intervalos que dependen de su paso a través del espacio-tiempo. Kasevich y sus colegas dicen que MAGIS podría lograr sensibilidades "científicamente interesantes" a las ondas gravitacionales en una banda de frecuencia que se extiende desde aproximadamente 30 mHz hasta 10 Hz, colocándolo entre los rangos disponibles para LISA y LIGO. A frecuencias más bajas podría observar la fusión de enanas blancas, mientras que en el extremo superior del espectro, dicen, podría ver "fuentes cosmológicas más especulativas" como la inflación. Además, podría detectar algunas fuentes, como la fusión de agujeros negros o estrellas de neutrones, antes de que lo haga LIGO, y como tal, permitir a los astrónomos que operan con telescopios electromagnéticos convencionales apuntar sus dispositivos al parche relevante del cielo con anticipación.
MAGIS es algo así como una propuesta presentada el año pasado por una colaboración en el instituto de investigación JILA en Colorado y la Universidad de Harvard, que presenta dos satélites que comparten un solo enlace láser. Sin embargo, mientras que esa misión atraparía sus átomos con láser, en MAGIS las nubes atómicas flotarían libremente. Eso aislaría los relojes atómicos de cualquier vibración de naves espaciales, explica Kasevich.
Mientras tanto, un grupo del Instituto de Física y Matemáticas de Wuhan en China acaba de presentar una propuesta aún más ambiciosa. Llamado Observatorio Espacial Interferométrico de Ondas Gravitacionales Atom , utilizaría átomos para detectar ondas gravitatorias directamente en lugar de medir el efecto de las ondas en un rayo láser. Esto implicaría que tres satélites dividieran, desviaran y recombinaran un haz de átomos para crear un único interferómetro sensible a una distorsión del espacio-tiempo conocido como el efecto Sagnac que sería inducido por las ondas gravitacionales.
Tamaño más pequeño, menor costo
El miembro del grupo, el Dongfeng Gao, explica que el observatorio podría ser mucho más pequeño que otros interferómetros espaciales -su longitud prevista es de solo 10 km- ya que las ondas de materia tendrían una longitud de onda mucho más corta que la luz. Afortunadamente, dice, eso llevaría a un "recorte en los requisitos tecnológicos relevantes y en gastos".
Shimon Kolkowitz del grupo JILA / Harvard elogia las "nuevas" propuestas emocionantes, pero advierte que necesitarán más I + D sobre el terreno antes de que puedan hacerse "listas para el espacio". De hecho, Kasevich ni siquiera ha costado la misión de su grupo, aunque reconoce que el precio "probablemente sea mayor de $ 1bn". Él dice que es "difícil saber hasta dónde puede empujarse la tecnología hasta que comiences a construir el aparato".
Sobre el Autor
Edwin Cartlidge es un escritor de ciencia con sede en Roma
http://images.iop.org/objects/phw/news/thumb/21/11/27/2017-11-21-waves.jpg
Las ondas gravitacionales llegaron a los titulares en febrero del año pasado cuando la colaboración LIGO anunció que las había detectado directamente por primera vez usando un par de interferómetros láser enormes en los EE. UU. Con otros cinco avistamientos registrados desde entonces por LIGO y su homólogo europeo, Virgo , los científicos han comenzado a abrir lo que llaman una nueva ventana al universo. Ahora, con ganas de abrir esa ventana lo más posible, varios grupos han propuesto enviar interferómetros atómicos al espacio para observar las ondas gravitacionales que son difíciles de interceptar en el suelo.
Las ondas gravitacionales son ondulaciones en el espacio-tiempo que crean pequeñas expansiones periódicas y contracciones del espacio a lo largo de ejes ortogonales a medida que se propagan hacia adelante. Y, como cualquier onda, vienen en un rango de frecuencias. LIGO, que representa el observatorio de onda gravitacional del interferómetro láser, los detecta al monitorear un cambio en la fase relativa de dos rayos láser perpendiculares. Sin embargo, a frecuencias inferiores a unos 10 Hz, esta señal tiende a ahogarse por las fuentes de ruido terrestres, como las ondas sísmicas.
Masas flotantes
Para evitar tal interferencia y detectar ondas de baja frecuencia, los físicos están ansiosos por lanzar interferómetros a la tranquilidad del espacio. La Antena Espacial del Interferómetro Láser (LISA) de 1.500 millones de euros consistiría en tres naves espaciales ubicadas a millones de kilómetros de distancia en una formación triangular, y detectaría ondas gravitatorias monitoreando la interferencia entre rayos láser rebotando y retrocediendo en masas de prueba flotantes dentro de cada astronave. Propuesto por primera vez hace unos 25 años, el proyecto sufrió una serie de problemas de financiación y solo se insertó oficialmente en el programa de ciencias de la Agencia Espacial Europea en junio de este año, tras la finalización con éxito de su predecesor LISA Pathfinder . Su lanzamiento está planeado para 2034.
“Quantum sensors might allow a reduction of costs, complexity, risks and permit an increased range of observation,”
Guglielmo Tino, University of Florence
According to Guglielmo Tino of the University of Florence in Italy, however, a mission based on the interference of matter waves could potentially be cheaper than one requiring laser interference. That is because while LISA needs at least three spacecraft to carry out multiple measurements of any passing gravitational wave – otherwise an apparent signal might simply be due to random fluctuations in laser frequency – an atomic interferometer could get away with two. “Quantum sensors might allow a reduction of costs, complexity, risks and permit an increased range of observation,” says Tino.
A principios de este mes, los físicos de la Universidad de Stanford y la Universidad de California Berkeley delinearon los planes para el sensor interferométrico de onda gravitacional atómica de banda media (MAGIS). Consistiría en dos satélites colocados a unos 40,000 km de distancia en órbita alrededor de la Tierra, cada uno de los cuales contendría un conjunto de átomos de estroncio ultrafríos que entrarían y saldrían de la superposición mediante un láser disparado entre los satélites. Cualquier onda gravitacional que pasara cambiaría el tiempo de vuelo del láser, dando como resultado diferentes desplazamientos de fase relativos entre los dos brazos del interferómetro en cada nave espacial.
Fuentes cosmológicas especulativas
En efecto, dice Mark Kasevich de Stanford, los interferómetros servirían como relojes atómicos mientras que el rayo láser iniciaría y detendría esos relojes a intervalos que dependen de su paso a través del espacio-tiempo. Kasevich y sus colegas dicen que MAGIS podría lograr sensibilidades "científicamente interesantes" a las ondas gravitacionales en una banda de frecuencia que se extiende desde aproximadamente 30 mHz hasta 10 Hz, colocándolo entre los rangos disponibles para LISA y LIGO. A frecuencias más bajas podría observar la fusión de enanas blancas, mientras que en el extremo superior del espectro, dicen, podría ver "fuentes cosmológicas más especulativas" como la inflación. Además, podría detectar algunas fuentes, como la fusión de agujeros negros o estrellas de neutrones, antes de que lo haga LIGO, y como tal, permitir a los astrónomos que operan con telescopios electromagnéticos convencionales apuntar sus dispositivos al parche relevante del cielo con anticipación.
MAGIS es algo así como una propuesta presentada el año pasado por una colaboración en el instituto de investigación JILA en Colorado y la Universidad de Harvard, que presenta dos satélites que comparten un solo enlace láser. Sin embargo, mientras que esa misión atraparía sus átomos con láser, en MAGIS las nubes atómicas flotarían libremente. Eso aislaría los relojes atómicos de cualquier vibración de naves espaciales, explica Kasevich.
Mientras tanto, un grupo del Instituto de Física y Matemáticas de Wuhan en China acaba de presentar una propuesta aún más ambiciosa. Llamado Observatorio Espacial Interferométrico de Ondas Gravitacionales Atom , utilizaría átomos para detectar ondas gravitatorias directamente en lugar de medir el efecto de las ondas en un rayo láser. Esto implicaría que tres satélites dividieran, desviaran y recombinaran un haz de átomos para crear un único interferómetro sensible a una distorsión del espacio-tiempo conocido como el efecto Sagnac que sería inducido por las ondas gravitacionales.
Tamaño más pequeño, menor costo
El miembro del grupo, el Dongfeng Gao, explica que el observatorio podría ser mucho más pequeño que otros interferómetros espaciales -su longitud prevista es de solo 10 km- ya que las ondas de materia tendrían una longitud de onda mucho más corta que la luz. Afortunadamente, dice, eso llevaría a un "recorte en los requisitos tecnológicos relevantes y en gastos".
Shimon Kolkowitz del grupo JILA / Harvard elogia las "nuevas" propuestas emocionantes, pero advierte que necesitarán más I + D sobre el terreno antes de que puedan hacerse "listas para el espacio". De hecho, Kasevich ni siquiera ha costado la misión de su grupo, aunque reconoce que el precio "probablemente sea mayor de $ 1bn". Él dice que es "difícil saber hasta dónde puede empujarse la tecnología hasta que comiences a construir el aparato".
Sobre el Autor
Edwin Cartlidge es un escritor de ciencia con sede en Roma