LIGO: Detectando Ondas Gravitacionales con Óptica de Precisión

Viendo la Gravedad: Cómo LIGO Detecta Ondas Gravitacionales

La historia de la astronomía está ligada al progreso de los telescopios, que revelan progresivamente más del Universo. Comenzó con el telescopio primitivo de Galileo y otros pioneros, y continúa hoy.

Hemos cubierto varios de esos 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 Array de Kilómetro Cuadrado), que estudia el cielo en el espectro de ondas de radio.
• DUNE (Experimento de Neutrinos Subterráneo Profundo), que detecta neutrinos escurridizos.

Un nuevo tipo de astronomía está emergiendo, una que lo estudia de una forma totalmente novedosa: en lugar de la luz y la longitud de onda de las ondas electromagnéticas, mide ondas gravitacionales.

Solo teórica hasta hace relativamente poco, ahora las ondas gravitacionales son un fenómeno probado. Un proyecto está buscando formas de medirlas: el Observatorio de Interferómetro Láser de Ondas Gravitacionales (LIGO).

Midiendo la Gravedad con la Astronomía de Ondas Gravitacionales

Se creía durante mucho tiempo 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 fueron las ondas gravitacionales, que hacen que el espacio se estire y comprima como ondas que se propagan en la superficie de un lago.

A diferencia de una onda regular de luz o incluso una ola oceánica de agua, una onda gravitacional no es transportada por partículas. En cambio, una onda gravitacional ocurre cuando la propia tela del espacio‑tiempo ondula o vibra.

Algún evento sería probablemente lo suficientemente masivo como para generar ondas gravitacionales lo suficientemente fuertes como para ser medidas, como, por ejemplo, la colisión de dos agujeros negros entre sí.

Sin embargo, por mucho que sea poderoso 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.

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 eso se concibió un instrumento tan impresionante como LIGO.

Para las ondas gravitacionales de la primera detección de LIGO, la cantidad de bamboleo del espacio‑tiempo que generaron fue ¡10 000 veces más pequeña que el núcleo de un átomo!

Cómo los Interferómetros Detectan Ondas Gravitacionales

La primera prueba indirecta de las 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, premiando a los científicos a cargo de este descubrimiento con el Premio Nobel de Física de 1993.

Source: 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 esas longitudes de onda, la perturbación puede medirse.

A medida que la expansión y contracción del espacio‑tiempo por las 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.

LIGO – Un Logro Premiado con Nobel

En su forma más simple, LIGO está compuesto por 2 brazos largos, con luz enviada a lo largo de ellos, cada uno de 4 km, o 2 ½ millas. La escala del brazo ayuda a detectar incluso la variación más diminuta, ya que cuanto más largos sean los brazos, más pequeñas son las mediciones que puede realizar.

Un haz láser se envía por uno de los brazos del interferómetro, que se divide en dos. Ambos haces son luego reflejados de nuevo después de golpear un espejo.

Normalmente, cada haz láser debería cancelarse mutuamente.

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.

Source: Nobel Prize

En 2015, la Oficina Nacional de Ciencia de EE. UU. (NSF) del Observatorio de Interferómetro Láser de Ondas Gravitacionales (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.

Esto le valió a los físicos Rainer Weiss, Barry Barish y Kip Thorne el Premio Nobel de Física de 2017.

Construyendo LIGO

En principio, LIGO es un concepto relativamente simple, fácil de entender una vez que hemos logrado comprender el concepto de ondas gravitacionales y con un mínimo entendimiento de la luz y los láseres.

Construir un sistema lo suficientemente preciso como para detectar variaciones de longitud de 1/10 000 ^ava de un átomo es otra historia.

Se construyeron dos instalaciones similares, una en el noroeste de EE. UU. y otra en Luisiana, separadas por unos 3 000 km (1 860 millas).

Source: Nobel Prize

La doble instalación funciona como confirmación, ya que su gran distancia significa que una onda gravitacional tendrá un “retardo” de siete segundos entre las dos, mientras genera la misma señal.

Así, mientras una sola detección siempre podría considerarse un posible error o perturbación local, que ocurra lo mismo en ambos lados de EE. UU. exactamente en el intervalo de tiempo predicho es casi imposible.

Las instalaciones dobles también proporcionan una ventaja invaluable: la posibilidad de triangular la señal. Esto nos permite delimitar la región del cielo de donde podría provenir la señal, que luego es identificada por astrónomos “regulares” que encontrarán qué objeto estelar podría ser el responsable.

La Búsqueda de LIGO por una Precisión de Medición sin Precedentes

El primer obstáculo técnico es que la longitud de onda y la intensidad de la luz láser deben ser lo más estables posible. Sin ello, fluctuaciones aleatorias podrían interpretarse erróneamente como la señal de una onda gravitacional.

Luego el haz debe golpear los espejos suspendidos con precisión. ¡Estos espejos no deben moverse en absoluto.

Deberían temblar apenas, ni siquiera cuando caen hojas de los árboles cercanos, un niño pasa corriendo, o un camión pasa por una carretera distante. Al mismo tiempo, estos espejos colgantes deben poder oscilar con el paso de las ondas gravitacionales.

Variaciones diminutas que no se deben a la gravedad también deben compensarse, por ejemplo:

• El movimiento térmico de los átomos en la superficie de los espejos
• Efectos cuánticos en el láser.
• Temblores sísmicos.
• Cualquier impureza del aire interferiría, requiriendo que todo el experimento se realice en tubos de vacío masivos.

En teoría, brazos más largos que 4 km proporcionarían mediciones aún más precisas, pero en la práctica existe un límite práctico a cuán grande puede construirse un interferómetro.

Como resultado, pronto se vio que, además de los trabajos preliminares, este proyecto requería mucho más presupuesto y experiencia técnica de la que un pequeño equipo de investigación podía proporcionar.

Así que en 1994, el científico Barry Barish de CalTech transformó el pequeño grupo de investigación de unas 40 personas en una colaboración internacional a gran escala con más de mil participantes, con una financiación inicial de 395 M $.

Se necesitarían 200 M $ en total para lograr el avance de 2015, cuando LIGO recibió láseres 10 veces más potentes, espejos de 40 kg, filtrado de ruido altamente avanzado y uno de los sistemas de vacío más grandes del mundo.

Estabilización Sísmica

Como la Tierra nunca está perfectamente estable, tampoco lo están los espejos de LIGO sin estabilizadores sísmicos.

Se instaló un primer sistema de reducción pasiva de vibraciones en los espejos: un complejo sistema de péndulos que absorbe vibraciones y evita que se transfieran a la siguiente parte.

Combinada, esta estructura es tan eficaz reduciendo vibraciones que cualquier vibración presente en la parte superior de la suspensión se vuelve 100 millones de veces más pequeña cuando llega a la masa de prueba.

Source: LIGO

Incluso esto no fue suficiente, por lo que también se completó con un sistema de estabilización activa. Los sismómetros alrededor de cada observatorio detectan una variedad de movimientos del suelo, luego envían esas señales a una computadora que las combina y determina los movimientos contrarios.

Source: LIGO

La importancia de la ausencia de vibración fue un criterio crucial al elegir el sitio para construir los interferómetros. No solo necesitaban mucho espacio libre, sino también ausencia de actividad humana que generara vibraciones, el equivalente a la contaminación lumínica para detecciones de ondas gravitacionales.

Óptica

Con un peso de 40 kg cada uno y colgando en la parte inferior de las suspensiones, la óptica de LIGO está hecha de materiales ultra puros depositados en capas de nanómetros de espesor. ¡Están recubiertos con materiales que reflejan todo menos uno de cada 5 millones de fotones que los golpean!

Láseres

El núcleo del experimento, los láseres, deben tener una longitud de onda muy estable para mantener el patrón de interferencia constante, y solo verlo alterado por ondas gravitacionales.

Los láseres comerciales no habrían sido tan precisos. Por eso el láser de LIGO fue diseñado especialmente para ser uno de los láseres más estables y puros jamás inventados.

Vacío

Para reducir cualquier interferencia del aire o partículas flotantes, las pruebas se realizan en condiciones de ultra alto vacío.

También elimina el riesgo de que el polvo se acumule en los espejos, lo que sería incinerado por el láser y destruiría los espejos de 2 M $.

La presión atmosférica dentro de los brazos de LIGO es una billonésima de la del nivel del mar, lo que significa que hay aproximadamente solo 10 millones de moléculas por centímetro cúbico.

Logros de LIGO

Después del descubrimiento inicial de la colisión de agujeros negros en 2015, el observatorio midió muchos otros eventos de alta energía en el Universo:

• Otra fusión de agujeros negros en 2016, cada una de alrededor de 30 masas solares, ubicada a 1,3 mil millones de años luz, casi 1/10^ava de la distancia del universo observable completo.
• Una tercera y luego una cuarta fusión de agujeros negros en 2017.

Después de eso, LIGO se cerró para mejoras hasta 2019, antes de ser interrumpido por la pandemia. Los científicos aprovecharon la ocasión para realizar más mejoras y añadir a la red VIRGO, la instalación hermana europea fuera de Pisa en Italia.

Futuro de LIGO

Mejoras previas han llevado a LIGO a registrar no menos de 79 detecciones de ondas gravitacionales en los últimos años, creando un extenso catálogo de eventos que involucran estrellas de neutrones y agujeros negros para que otros astrónomos los identifiquen con precisión y los comprendan mejor.

Una futura actualización importante será el reemplazo del espejo actual de 40 kg por espejos de 100 kg, junto con sistemas de suspensión mucho más grandes.

La sensibilidad extra debería ayudar a encontrar más información sobre la gravedad en el Universo.

Otro campo de investigación son las “ondas gravitacionales de estallido”. Estas ondas de corta duración provenientes de fuentes desconocidas o no anticipadas son solo teóricas y difíciles de detectar, por lo que los analistas de LIGO deben mantener una mente abierta sobre qué es o no una señal válida.

“También podríamos detectar ondas gravitacionales de sistemas que nunca antes conocimos. Para buscar este tipo de ondas gravitacionales, no podemos asumir que tendrán propiedades bien definidas como las que los científicos de LIGO han modelado previamente.

Esto significa que no podemos limitar nuestros análisis a buscar solo las firmas de ondas gravitacionales que los científicos han predicho.”

Otros Detectores de Ondas Gravitacionales

La próxima generación de interferómetros también está bajo discusión, notablemente Cosmic Explorer, un interferómetro con brazos de 40 km de longitud, o el Einstein Telescope, un detector triangular con brazos de 10 km enterrados profundamente bajo tierra.

Otro proyecto que podría verse en el futuro es un enorme detector de ondas gravitacionales basado en el espacio: LISA, Antena Interferométrica Láser Espacial. Ya está siendo diseñado y probado por una iniciativa liderada por la Agencia Espacial Europea que operará tres naves espaciales en formación triangular, con una distancia entre cada satélite de 2,5 millones de kilómetros.

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Conclusión

LIGO es un proyecto muy impresionante, ya que pasó de ser un experimento pionero a validar inmediatamente la existencia de ondas gravitacionales.

Un proyecto como LIGO podría, a primera vista, parecer puramente académico. Rara vez es así, aunque las aplicaciones directas pueden parecer difíciles de imaginar al principio.

Por ejemplo, la teoría de la relatividad de Einstein se usa hoy en día rutinariamente para calibrar la posición de los satélites GPS, una aplicación que era difícil de imaginar como una necesidad comercial diaria en 1919.

De manera similar, LIGO está impulsando a los científicos a inventar espejos, sistemas de estabilización y láseres cada vez más precisos, con niveles de ingeniería de clase mundial.

Estas innovaciones probablemente darán frutos en cualquier tecnología que utilice estos dispositivos, incluidas la computación avanzada o las tecnologías espaciales.

Invertir en Óptica Avanzada

Corning Incorporated

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 de 310 mil millones de dólares, con un crecimiento esperado del 9,2 % CAGR hasta 2032.

Corning es una empresa de vidrio y óptica que existe desde hace 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.

Source: Corning

Hoy, la compañía se centra en las tecnologías centrales de fabricación de vidrio y cerámica, y en tecnologías de física óptica, que comparten procesos de fabricación y mercados finales comunes.

Source: Corning

Esta interconexión de tecnologías permite a la empresa compartir fabricación, investigación y capacidades de 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 actor en su nicho.

Source: 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 en EE. UU. provienen de productos de origen estadounidense. Muy poca de la venta realizada 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 entrando en el 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, habiendo producido polisilicio durante 60 años, incluido silicio ultra puro (99,9999999999 % puro) y ahora lanzando producción de obleas de silicio, un producto que se importaba al 100 % en EE. UU.

Source: Corning

La compañía también está explorando otras tecnologías avanzadas donde su experiencia en vidrio y cerámica podría proporcionar una ventaja sólida, incluyendo vidrio flexible, realidad aumentada, captura de carbono, etc.

Source: Corning

En conjunto, Corning es una empresa profundamente técnica, con fabricación localizada que no debería sufrir por la desglobalización. También abraza nuevos mercados que coinciden con sus competencias centrales, particularmente solar e infraestructura de comunicación óptica / IA. Esto la convierte tanto en una empresa relativamente conservadora que profundiza en su nicho, como en una posible acción de crecimiento en mercados de alta tecnología.

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