Espacio
KAGRA: El detector criogénico de ondas gravitacionales de Japón
Cómo KAGRA detecta ondas gravitacionales
La historia de la astronomía está estrechamente vinculada al progreso de los telescopios, que han revelado progresivamente más del Universo. Comenzó con el telescopio primitivo de Galileo y otros pioneros, y continúa hasta hoy.
A medida que pasa el tiempo, se han implementado cada vez más métodos para detectar la actividad estelar más allá del espectro de luz visible.
Hemos cubierto varios de esos 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 encuesta que observa todo el cielo a la vez.
- SKAO (Observatorio de la Matriz de Kilómetro Cuadrado), que estudia el cielo en el espectro de ondas de radio.
- DUNE (Experimento de Neutrinos Profundos Subterráneo), que detecta neutrinos escurridizos.
Otro nuevo tipo de astronomía está emergiendo, una que estudia el cielo de una forma totalmente novedosa: en lugar de luz y diversas longitudes de onda electromagnéticas, mide ondas gravitacionales.
Solo teórica hasta hace relativamente poco, ahora las ondas gravitacionales son un fenómeno probado. Anteriormente cubrimos uno de esos “telescopios de gravedad” con el Observatorio de Interferómetro Láser de Ondas Gravitacionales (LIGO).
Otro es el proyecto japonés Detector de Ondas Gravitacionales Kamioka (KAGRA). Adoptando un enfoque diferente al de la estrategia a gran escala y multisitio de LIGO, KAGRA se centra en mediciones de ultra alta precisión usando espejos criogénicos para reducir la interferencia.
De la teoría de Einstein a las ondas gravitacionales
Durante mucho tiempo se creyó que la gravedad era “solo” una de las fuerzas fundamentales del Universo, como el electromagnetismo o la fuerza que impulsa las interacciones nucleares a nivel atómico.
Pero a principios del siglo 20, la teoría de la relatividad de Einstein describió la gravedad como la curvatura del espacio‑tiempo.
Su teoría no solo describió correctamente cómo funciona la gravedad para objetos muy grandes como estrellas, sino que también predijo muchos fenómenos espaciales que aún no se habían descubierto en ese momento, como estrellas de neutrones y agujeros negros.
Otra predicción fue la existencia de ondas gravitacionales, que hacen que el espacio se estire y comprima como ondas que se propagan en la superficie de un lago.
En cambio, una onda gravitacional ocurre cuando el tejido del espacio‑tiempo mismo ondula o vibra.
Así, las ondas gravitacionales esencialmente hacen que un segmento específico del universo se estire o contraiga, alargando o acortando una distancia dada cuando pasan.
Algunos eventos astronómicos serían lo suficientemente masivos como para generar ondas gravitacionales lo bastante fuertes como para ser medidas, como, por ejemplo, la colisión de dos agujeros negros entre sí.
Sin embargo, por muy poderoso que sea un fenómeno en términos absolutos, la enorme distancia entre la Tierra y su fuente, y la dificultad de intentar medir el propio espacio‑tiempo, hacen que sea necesario diseñar un instrumento ultra sensible para detectar estos eventos.
Para cuando las ondas gravitacionales llegan a la Tierra, provenientes de millones o miles de millones de años luz, son miles de miles de millones de veces más pequeñas.
Por lo tanto, se necesitan mediciones extremadamente precisas, ya que la cantidad de oscilación del espacio‑tiempo generada por las ondas gravitacionales será 10 000 × más pequeña que el núcleo de un átomo.
Cómo los interferómetros detectan ondas gravitacionales
La primera evidencia indirecta de ondas gravitacionales se obtuvo mediante el estudio de la órbita de un púlsar binario. La pérdida de energía por decaimiento orbital coincidió con la energía predicha que se perdería por la generación de ondas gravitacionales, otorgando a los científicos responsables de este descubrimiento el Premio Nobel de Física de 1993.
Fuente: Nobel Prize
La medición directa requirió un tipo diferente de prueba, usando un interferómetro. La idea básica de un interferómetro es usar la interacción entre haces de luz. Si dos ondas de luz tienen la misma longitud de onda, se superpondrán y crearán un patrón de manchas oscuras y brillantes.
Pero si algo cambia la distancia recorrida por esas longitudes de onda, como una onda gravitacional, la perturbación puede medirse.
A medida que la expansión y contracción del espacio‑tiempo por ondas gravitacionales también expanden y contraen uno de los brazos del interferómetro más que el otro, esto crea un efecto detectable y medible de las ondas gravitacionales.
Dentro de KAGRA: Diseño y ubicación
Diseño del interferómetro (brazos de 3 km)
Al igual que otros interferómetros, el concepto básico de KAGRA es usar un tubo de varios kilómetros de longitud, donde se dispara un láser. Ese haz láser se divide en dos a lo largo de trayectorias perpendiculares.
Fuente: Nobel Prize
Ambos haces son luego reflejados de vuelta después de golpear un espejo. Normalmente, cada haz láser debería cancelarse mutuamente, resultando en que no se detecte luz.
Pero si un brazo se contrae o se extiende más que el otro por una onda gravitacional, la interferencia entre los haces láser se detiene, y se detecta una señal de luz.
En 2015, el Observatorio de Interferómetro Láser de Ondas Gravitacionales de la Fundación Nacional de Ciencia de EE. UU. (NSF LIGO) confirmó la detección de las ondas creadas por la colisión de agujeros negros a 1,3 mil millones de años luz de la Tierra.
Este trabajo pionero le valió a los físicos Rainer Weiss, Barry Barish y Kip Thorne el Premio Nobel de Física de 2017.
Qué hace a KAGRA único (subterráneo y criogénico)
Mientras LIGO fue el primero en detectar ondas gravitacionales, KAGRA podría ser el siguiente paso en este campo de la ciencia.
La razón es que KAGRA está construido bajo tierra, y gracias a una actualización de sus configuraciones iniciales, cuando todavía se llamaba Telescopio de Ondas Gravitacionales Criogénico a Gran Escala (LCGT), KAGRA está usando espejos de masa de prueba que se enfrían a temperaturas criogénicas.
La temperatura fría permite mediciones mucho más precisas y será una característica clave de futuros proyectos de interferometría, como el Telescopio Einstein (lanzamiento previsto para 2035) o el Explorador Cósmico (lanzamiento previsto para la década de 2040).
Especificaciones técnicas de KAGRA
KAGRA está diseñado para observar ondas gravitacionales de binarias de estrellas de neutrones hasta ~150 Mpc (~489 millones de años luz), dependiendo de la sensibilidad del detector durante una corrida de observación dada.
El cuerpo principal de KAGRA está formado por un par de túneles de brazos de 3 km de longitud (1,8 millas) que se encuentran en un ángulo de 90° en el plano horizontal. Es la versión ampliada del prototipo de 100 metros llamado Detector Criogénico Prototipo (CLIO).
La instalación está ubicada 200 m (656 pies) bajo tierra, un diseño que reduce significativamente el ruido de ondas sísmicas en la superficie de la Tierra. Construir bajo tierra, por lo tanto, resuelve la mayor parte de la interferencia de baja frecuencia que afecta a los diseños de interferómetros de superficie, como LIGO.
A pesar de que la región es propensa a terremotos, este sitio específico está bastante protegido, gracias a características geológicas únicas.
“Las ondas sísmicas se debilitan cuando se propagan a través de la cadena montañosa Tateyama, al noreste del sitio de KAGRA.
Esto se debe a que el suelo de baja densidad distribuido a una altitud de aproximadamente 5 km actúa como una amortiguación.”
KAGRA forma parte del Observatorio Kamioka, ubicado en la mina Kamioka, un laboratorio que se especializa en la detección de neutrinos, materia oscura y ondas gravitacionales.
El Observatorio Kamioka es notable por incluir Super‑Kamiokande, un detector de neutrinos que hizo historia al detectar la primera evidencia de oscilación de neutrinos en 1998.
Fuente: MDPI
KAGRA se completó el 4 de octubre de 2019, tras 9 años de construcción. Sus sistemas fueron actualizados nuevamente en 2021‑2022, después de que las primeras observaciones iniciadas en febrero de 2020 fueran interrumpidas por la pandemia de COVID.
La colaboración KAGRA está compuesta por más de 360 personas de más de 90 instituciones. KAGRA en sí es operado por el Instituto de Investigación de Rayos Cósmicos de la Universidad de Tokio (ICRR) con contribuciones del Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ) y la Organización de Investigación de Aceleradores de Alta Energía (KEK).
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| Detector | Longitud del brazo | Sitio | Temperatura | Material del espejo | Diferenciador clave |
|---|---|---|---|---|---|
| KAGRA (Japón) | 3 km | Subterráneo (~200 m) | ~20 K (criogénico) | Zafiro (~23 kg) | Espejos criogénicos y ruido sísmico reducido |
| LIGO (EE. UU.) | 4 km (Hanford/Livingston) | Superficie | Temperatura ambiente | Sílice fundida (~40 kg) | Primeras detecciones directas; alta potencia óptica |
| Virgo (Italia) | 3 km | Superficie | Temperatura ambiente | Sílice fundida | Aislamiento sísmico avanzado (superatenuadores) |
| Telescopio Einstein (UE, planificado) | 10 km (triangular) | Subterráneo | 123 K / 10–20 K (dual) | Silicio (planificado) | Sensibilidad de tercera generación; diseño de doble banda |
| Explorador Cósmico (EE. UU., planificado) | ~40 km (concepto) | Superficie/campo verde | 123 K (concepto) | Silicio (concepto) | Ganancia de alcance de órdenes de magnitud |
Condiciones de vacío
El requisito de que los haces láser viajen sin interferencias se extiende al aire ambiente, con un fuerte vacío y sin polvo.
La instalación sigue los estándares de sala limpia ISO clase 6, con estándares de sala limpia ISO 1 para la sala láser y los cubículos de los criostatos. Las paredes de la instalación subterránea están recubiertas con pintura anti‑polvo.
Se logra un ultra alto vacío del orden de 0.0000007 Pa mediante pulido electroquímico.
Mientras tanto, los techos están cubiertos con láminas plásticas para proteger la instalación de gotas de agua subterráneas.
Sistema láser y datos de baja latencia
Se necesita un láser muy potente y estable para trabajar a lo largo de los 3 kilómetros y reaccionar lo suficientemente fuerte a la onda gravitacional.
KAGRA utiliza un láser Nd:YAG NPRO de 400 mW, amplificado por un amplificador de fibra comercial, que produce una potencia de salida de 40 W. La luz láser dentro de las cavidades de Fabry‑Pérot del interferómetro puede alcanzar potencias de hasta 400 kW.
Los datos se envían primero a través de una fibra de 7 km a un edificio de análisis cercano en ~1 segundo, luego al ICRR (Kashiwa) en ~3–10 segundos. Los datos calibrados de baja latencia se comparten luego con la red LVK: típicamente llegando a los sitios LIGO en ~7–8 segundos y a Virgo en ~12–15 segundos.
Espejos criogénicos
Los espejos utilizados están hechos de zafiro, con un diámetro y grosor de 22 y 15 cm (9 y 6 pulgadas), y una masa de 23 kg (50 libras). La superficie de alta reflectividad del espejo está recubierta con 22‑40 capas de sílice (SiO₂) y tántalo (Ta₂O₅).
Fuente: Caltech
Los espejos de zafiro están suspendidos por fibras de zafiro de 35 cm de largo (14 pulgadas) adjuntadas con una lámina de galio.
Esta configuración permite que la fibra de suspensión de zafiro transfiera 1 W de calor del espejo, lo que determina el límite de potencia láser antes de que el calentamiento interfiera con la medición.
Fuente: Caltech
El sistema criogénico para enfriar el espejo usa enlaces de calor de aluminio con pureza del 99,9999 %, cada uno formado por una hebra de 49 hilos, cada uno de 0,15 mm de diámetro (6 milésimas de pulgada). Los propios espejos se mantienen a 20 K (‑253 °C / ‑424 °F).
Una serie de sistemas de absorción de vibraciones mantiene el espejo inmóvil pese al funcionamiento del sistema de enfriamiento.
Fuente: PTEP
Otro dispositivo de absorción de vibraciones protege los espejos y el láser de vibraciones sísmicas, usando un péndulo invertido para aislamiento horizontal y un filtro anti‑resorte geométrico.
Fuente: PTEP
Desafíos únicos
La ubicación y el diseño de KAGRA lo convierten potencialmente en el detector de ondas gravitacionales más potente del mundo. Sin embargo, no está exento de sus propios desafíos.
Por ejemplo, hay un manantial subterráneo en la zona, que se drena mediante una tubería con un caudal de 1 200 toneladas de agua de manantial por hora. Esto genera ruido que debe neutralizarse para no interferir con las mediciones.
Incluso en un fuerte vacío, algunas moléculas de agua persisten en el aire. Tienden a formar hielo en la superficie del espejo debido a las condiciones ultrafrías. Por lo tanto, mantener los escudos de conductos criogénicos aún más fríos y realizar descongelaciones regulares es necesario.
Los espejos de zafiro tampoco fueron fabricados perfectamente, con polarización de la luz láser que muestra algunos errores y reduce la eficiencia de toda la instalación. Se está investigando para crear un cristal de zafiro perfectamente homogéneo en términos de birrefringencia.
El criocooler también es propenso a fallas, con una vida útil de la válvula rotatoria de solo 3000 h, creando un tiempo medio entre fallas de solo 15 días. Esto era aceptable para pruebas tempranas, pero realizar observaciones más largas en el futuro requerirá que este problema también se solucione.
Potencial de KAGRA
Debido a la actualización durante la pandemia y a problemas técnicos que aún necesitan solución, KAGRA aún no ha alcanzado todo su potencial.
Sin embargo, ha comenzado a colaborar con LIGO y VIRGO, lo que ha llevado a la detección de más de 200 ondas gravitacionales ya.
La señal más reciente, que ocurrió el 19 de marzo de 2025, tiene más del 99 % de probabilidad de originarse en la fusión de dos agujeros negros.
“La comunidad científica está intensamente involucrada en el análisis profundo de esta enorme cantidad de datos nuevos que los detectores nos han proporcionado durante el último año y medio.
Obtendremos nueva información sobre agujeros negros, estrellas de neutrones y la evolución de nuestro Universo.”
Estos resultados preliminares ya demuestran que las fusiones de dos agujeros negros son mucho más frecuentes que los eventos que involucran estrellas de neutrones, que son mucho más raros.
Esto podría, sin embargo, estar vinculado a la sensibilidad del detector utilizado, y un KAGRA actualizado podría detectar interacciones más o menos potentes entre estrellas de neutrones.
Mediciones más precisas también ayudarán a detectar eventos estelares más distantes o a comprender mejor los detalles de lo que ocurre cuando dos agujeros negros colisionan y se fusionan.
Conclusión
KAGRA es el más reciente, y probablemente no el último, de los interferómetros que nos brindan nuestra primera visión de las ondas gravitacionales. No solo estos datos serán útiles para los astrónomos, sino que también abrirán nuevas posibilidades para que los físicos comprendan la gravedad, aún la menos entendida de las cuatro fuerzas fundamentales.
Un proyecto como este podría, a primera vista, parecer puramente académico. Esto rara vez es así, incluso si las aplicaciones directas son difíciles de imaginar inicialmente. Por ejemplo, la teoría de la relatividad de Einstein hoy se usa rutinariamente para calibrar los satélites GPS, una aplicación cotidiana que fue difícil prever en 1919.
De manera similar, KAGRA está impulsando a los científicos a inventar espejos, sistemas de estabilización y enfriamiento, y láseres cada vez más precisos, exigiendo niveles de ingeniería de clase mundial. Estas innovaciones probablemente darán frutos en tecnologías mucho más allá de la astronomía, incluyendo computación avanzada y sistemas espaciales.
Invertir en Óptica Avanzada
Corning Incorporated
(GLW )
A medida que los telescopios empujan los límites de la fabricación de vidrio avanzado de precisión, esto también abre muchas posibilidades industriales en sectores tan variados como automotriz, semiconductores, IA, defensa, biotecnología, salud, etc. El mercado de óptica avanzada es un mercado de 310 mil millones de dólares, se espera que crezca a una tasa compuesta anual del 9,2 % hasta 2032.
Corning es una empresa de vidrio y óptica que ha existido durante 170 años. 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 permiten los convertidores catalíticos, y el primer vidrio de cubierta resistente a daños para dispositivos móviles.
Fuente: Corning
Hoy, la compañía se centra en tecnologías centrales relacionadas con la fabricación de vidrio y cerámicas, así como en 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 sitios de fabricación en todo el mundo y más de 10 centros de I+D, la compañía es un gran jugador en su nicho.
Fuente: Corning
La compañía se beneficia del auge de la IA y la construcción de centros de datos (fibra óptica), así como del consumo general de vidrio especializado en pantallas y biotecnología.
Corning no debería verse mucho afectada por aranceles, ya que el 90 % de los ingresos de EE. UU. provienen de productos de origen estadounidense. Muy poca de las ventas realizadas en China proviene de instalaciones estadounidenses, con el 80 % de las ventas chinas realizadas en China.
Los aranceles incluso podrían ayudar, ya que Corning está ingresando al mercado de paneles solares, con el control estratégico de Hemlock Solar, para producir paneles fabricados en EE. UU., mientras que los paneles solares asiáticos (no solo los chinos) están sujetos a aranceles de cuatro cifras. El 80 % de la capacidad ya ha sido asegurada por compromisos de clientes.
La energía solar tiene mucho sentido para la compañía, con el silicio como una experiencia central de fabricación de la empresa, que ha producido polisilicio durante 60 años, incluido silicio ultra puro (99,9999999999 % puro) y ahora está lanzando la producción de obleas de silicio, un producto que se importaba al 100 % en EE. UU.
Fuente: Corning
La compañía también está explorando otras tecnologías avanzadas donde su experiencia en vidrio y cerámicas podría proporcionar una ventaja sólida, incluyendo vidrio flexible, AR, captura de carbono, etc.
Fuente: Corning
En conjunto, Corning es una empresa altamente técnica con fabricación localizada que no debería verse afectada por la desglobalización. También abraza nuevos mercados que coinciden con sus competencias centrales, particularmente solar y comunicación óptica / infraestructura de IA. Esto la convierte tanto en una empresa relativamente conservadora, profundizando en su nicho, como en una posible acción de crecimiento en mercados de alta tecnología.
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