Algunas de las primeras galaxias conocidas en el universo, vistas por el Telescopio Espacial Hubble. NASA / ESA
Por Diego A. Quiñones, para International Business Times Julio 23 de 2017
Hubo mucha emoción el año pasado cuando la colaboración LIGO detectó ondas gravitatorias, que son ondulaciones en el tejido del espacio mismo. Y no es de extrañar - fue uno de los descubrimientos más importantes del siglo. Al medir las ondas gravitatorias de procesos astrofísicos intensos como la fusión de agujeros negros, el experimento abre una forma completamente nueva de observar y comprender el universo.
Pero hay límites a lo que LIGO puede hacer. Mientras que las ondas gravitatorias existen con una gran variedad de frecuencias, LIGO sólo puede detectar aquellos dentro de un cierto rango. En particular, no hay forma de medir el tipo de ondas gravitatorias de alta frecuencia que se generaron en el Big Bang mismo. La captura de tales ondas revolucionaría la cosmología, dándonos información crucial acerca de cómo el universo llegó a ser. Nuestra investigación presenta un modelo que puede permitirlo un día.
En la teoría de la relatividad general desarrollada por Einstein, la masa de un objeto curva el espacio y el tiempo - cuanto más masa, más curvatura. Esto es similar a cómo una persona estira la tela de un trampolín al pisar en él. Si la persona comienza a moverse hacia arriba y hacia abajo, esto generaría ondulaciones en la tela que se moverá hacia fuera desde la posición de la persona. La velocidad a la que la persona está saltando determinará la frecuencia de las ondulaciones generadas en la tela.
Un rastro importante del Big Bang es el Fondo Cósmico de Microondas. Esta es la radiación que sobró del nacimiento del universo, creada unos 300.000 años después del Big Bang. Pero el nacimiento de nuestro universo también creó ondas gravitatorias - y éstas se habrían originado sólo una fracción de segundo después del evento. Debido a que estas ondas gravitatorias contienen información invaluable sobre el origen del universo, hay mucho interés en detectarlos. Las ondas con las frecuencias más altas pueden haberse originado durante las transiciones de fase del universo primitivo o por vibraciones y rompimiento de cadenas cósmicas.
Un flash instantáneo brillante
Nuestro equipo de investigación, de las universidades de Aberdeen y Leeds, piensa que los átomos pueden tener un borde en la detección de las ondas gravitatorias de alta frecuencia, elusivas. Hemos calculado que un grupo de átomos "muy excitados" (llamados átomos de Rydberg - en los cuales los electrones han sido empujados lejos del núcleo del átomo, haciéndolo enormes - emitirá un pulso brillante de luz cuando es golpeado por una onda gravitatoria.
Para hacer que los átomos se exciten, les brillamos una luz. Cada uno de estos átomos agrandados suele ser muy frágil y la menor perturbación los hace colapsar, liberando la luz absorbida. Sin embargo, la interacción con una onda gravitatoria puede ser demasiado débil, y su efecto será enmascarado por las muchas interacciones tales como colisiones con otros átomos o partículas.
En lugar de analizar la interacción con átomos individuales, modelamos el comportamiento colectivo de un gran grupo de átomos empaquetados juntos. Si el grupo de átomos está expuesto a un campo común, como nuestro campo gravitatorio oscilante, esto inducirá a los átomos excitados a decaer todos al mismo tiempo. Los átomos liberarán entonces un gran número de fotones (partículas de luz), generando un intenso pulso de luz, denominado "superradiación".
Como los átomos de Rydberg sometidos a una onda gravitatoria superradiarán como resultado de la interacción, podemos adivinar que una onda gravitatoria ha pasado a través del conjunto atómico cada vez que vemos un pulso de luz.
Al cambiar el tamaño de los átomos, podemos hacerlos irradiar a diferentes frecuencias de la onda gravitatoria. Esto puede ser útil para la detección en diferentes rangos. Usando el tipo apropiado de átomos, y bajo condiciones ideales, podría ser posible usar esta técnica para medir las ondas gravitatorias reliquias desde el nacimiento del universo. Al analizar la señal de los átomos es posible determinar las propiedades, y por lo tanto el origen, de las ondas gravitatorias.
Puede haber algunos retos para esta técnica experimental: la principal es conseguir que los átomos en un estado muy excitado. Otra es tener suficientes átomos, ya que son tan grandes que se vuelven muy difíciles de contener.
¿Una teoría de todo?
Más allá de la posibilidad de estudiar las ondas gravitatorias desde el nacimiento del universo, el objetivo final de la investigación es detectar las fluctuaciones gravitatorias del espacio vacío en sí mismo - el vacío. Estas son variaciones gravitatorias extremadamente débiles que ocurren espontáneamente en la escala más pequeña, surgiendo de
Descubrir tales ondas podría conducir a la unificación de la relatividad general y la mecánica cuántica, uno de los mayores retos de la física moderna. La relatividad general es incomparable cuando se trata de describir el mundo a gran escala, como planetas y galaxias, mientras que la mecánica cuántica describe perfectamente la física en la escala más pequeña, como el átomo o incluso las partes del átomo. Pero la elaboración del impacto gravitatoria de la más pequeña de las partículas, por lo tanto, ayudar a salvar esta división.
Pero descubrir las ondas asociadas a tales fluctuaciones cuánticas requeriría un gran número de átomos preparados con una enorme cantidad de energía, lo cual puede no ser posible hacer en el laboratorio. En lugar de hacerlo, podría ser posible utilizar átomos de Rydberg en el espacio exterior. Enormes nubes de estos átomos existen alrededor de enanas blancas - estrellas que se han quedado sin combustible - y dentro de nebulosas con tamaños más de cuatro veces mayores que cualquier cosa que se pueda crear en la Tierra. La radiación proveniente de estas fuentes podría contener la firma de las fluctuaciones gravitatorias del vacío, a la espera de ser desvelado.
Diego A. Quiñones, Candidato de Doctorado en Información Cuántica, Universidad de Leeds
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