LIGO: Observador de ondas gravitacionales

En 1915 Albert Einstein promulgó la Teoría General de la Relatividad que predecía que objetos masivos acelerándose, tales como supernovas o agujeros negros orbitando, emiten grandes cantidades de energía en la forma de ondas gravitacionales. Estas ondas pueden viajar distancias de varios miles de millones de años luz. Einstein nunca concibió que hubiera tecnología capaz de observar estas ondas.

 Esta imagen es parte de un video explicativo de ondas gravitacio- nales; tomada de http://www.publico.es/ciencias/claves-comprender- son-ondas-gravitacionales.html

Esta imagen es parte de un video explicativo de ondas gravitacio- nales; tomada de http://www.publico.es/ciencias/claves-comprender- son-ondas-gravitacionales.html

Cerca de un siglo después, esta tecnología ya existe en el Interferómetro-observatorio de ondas gravitacionales (LIGO por sus siglas en inglés: Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory). Mediciones de dos intereferómetros separados por 3 mil kilómetros (en Livingston, Lousiana, y en Hanford, Washington, en Estados Unidos) realizaron la primera confirmación experimental de la teoría de Einsten al registrar la onda gravitacional GW150914 producida por la colisión de dos agujeros negros a mil 200 millones de años luz de la Tierra. Esto fue posible gracias a los esfuerzos del grupo de trabajo de LIGO.

Al hablar de LIGO realmente hablamos de varios instrumentos: el sistema original iLIGO (LIGO inicial) se construyó de 1990 a 1995 y realizó observaciones de 1996 a 2008, donde los científicos vieron que no tenían la suficiente sensibilidad para detectar las ondas gravitacionales. En 2008 comenzó la construcción del actual aLIGO (LIGO avanzado), o simplemente LIGO, que estuvo en construcción desde 2008 hasta 2015, el cual ya tuvo la sensibilidad suficiente para detectar las ondas gravitacionales, y eso que aún no ha llegado al límite de su sensibilidad.

El sistema se basa en un interferómetro, pero, ¿qué es un interferómetro? Se trata de una herramienta muy utilizada en varios campos de la ciencia y la ingeniería por las mediciones precisas que no serían realizables de otra manera. Reciben este nombre porque funcionan combinando dos o más fuentes de luz para crear un patrón de interferencia que se pueda medir y analizar. El patrón de interferencia no es más que la onda que se genera de la misma manera que sucede cuando se tira una piedra en el agua.

Una onda gravitacional estira y acorta los brazos del interferómetro LIGO, pero al mismo tiempo estira y acorta la longitud de onda de la luz del láser (ver figura anexa), exactamente en la misma proporción. ¿Cómo es posible entonces medir con un interferómetro la longitud de los brazos? La respuesta es sencilla: el interferómetro no mide distancias como una regla. Actúa como un reloj midiendo intervalos de tiempo. Como la velocidad de la luz en el vacío es constante, esta medida de tiempos permite determinar cómo se estiran y acortan los brazos de LIGO al paso de la onda gravitacional. El interferómetro doble en forma de letra L que usa LIGO se comporta como un reloj. Mide la diferencia de camino entre haces luminosos.

Para lograr medir estos cambios, LIGO desarrolló tecnología única para ver los cambios producidos por las ondas gravitacionales y que anulan vibraciones a todas las frecuencias. Las complicaciones son grandes y enfrentan problemas únicos, por ejemplo, los brazos de LIGO son tan grandes, que debido a la curvatura de la Tierra, el comienzo y fin de cada brazo tiene una diferencia de altura de un metro, entonces hay que construir una plataforma que cambie un cuarto de milímetro por cada metro lineal de construcción de manera que los tubos sean tan rectos como sea posible.

Estiramiento y acortamiento de los brazos de un interferómetro pro- ducidos por una onda gravitacional

Estiramiento y acortamiento de los brazos de un interferómetro pro- ducidos por una onda gravitacional

La luz viaja por tubos rectos de 1.2 metros de diámetro que se mantienen a un vacío equivalente a ocho veces el del espacio exterior y a tan sólo una billonésima de la presión atmosférica. Tardan 40 días en realizar el vacío en la segunda cámara más grande del mundo; solamente por detrás de otro gran instrumento científico: el LHC (Large Hadron Collider) en Suiza. Este tubo tiene un sistema hidráulico que mueve los cuatro kilómetros de tubos a manera de contrarrestar las vibraciones de baja frecuencia producidas por vibraciones sísmicas, cambios en las mareas o un camión pasando por la carretera. Así de complicado y sensible es el sistema.

Otra tecnología única es usada para suspender los espejos en el interferómetro que anula frecuencias intermedias. Los espejos a los lados del interferómetro pesan cerca de 40 kilogramos y se soportan en un péndulo de fibras de vidrio de 4 mm de diámetro, que con un sistema de compensación anulan las vibraciones de 60 a 100 Hertz. Esto se hace con la mayor precisión posible y es la mayor diferencia entre iLIGO y el actual aLIGO.

La luz que viaja dentro de los tubos se genera por un láser de 4 Watts de potencia (como 800 veces la luz de un apuntador láser) con una pureza de color única. LIGO está diseñado en forma de “L” tiene brazos de cuatro km, tiene espejos la final de los brazos para reflejar la luz alrededor de 280 veces antes de recombinarse y formar un patrón de interferencia, para tener un recorrido total de mil 120 km. Esto es más o menos la distancia de Puebla a Culiacán, Sinaloa. Para que este aparato  funcione se debe tener una longitud de coherencia de al menos esta distancia. La longitud de coherencia quiere decir que la luz “camina” con el mismo paso aún después de haberse separado; para que se den una idea, es equivalente a pedirle a unos soldados que caminen en dos direcciones distintas a un punto de ida y vuelta y que al volverse a juntar caminen exactamente igual como si siguieran juntos. En el LIGO la columna de soldados tendría que caminar una parte de Puebla a Guadalajara y la otra de Puebla a Villahermosa en línea recta, dar la vuelta y seguir marchando de manera que de regreso a Puebla tuvieran exactamente el mismo paso. El láser en LIGO utiliza la técnica PDH (por sus inventores Pounder-Drever-Hall) para obtener un sistema con un ancho de banda de 0.8 Hz. Esto significa que este láser tiene una longitud de coherencia más o menos igual a la distancia de la Tierra a la Luna.

De esta manera, con el aislamiento sísmico a bajas frecuencias, la suspensión de masa a frecuencias intermedias y el láser ultra puro a altas frecuencias, se anulan todas las posibles fuentes de vibración. De manera que si los brazos del interferómetro se mueven con una sensibilidad de 1/10,000 veces el tamaño de un protón, la única fuente que queda es precisamente las ondas gravitacionales. Y para asegurarse, se midieron simultáneamente en dos de estos instrumentos separados en 3 mil km.

En un futuro cercano se empezará a usar una red de interferómetros gravitacionales para empezar a desarrollar astronomía de ondas gravitacionales. Hasta el momento la red está conformada por los LIGO en Estados Unidos; VIRGO con brazos de tres kilómetros cerca de Pisa, en Italia; GEO600 con brazos de 600 metros en Hannover, Alemania; KAGRA con brazos de tres kilómetros en Japón, y en un futuro se pretende usar a LISA (Laser Interferometer Space Antenna) que será un sistema de tres satélites con brazos de cinco millones de kilómetros enviada por la NASA y la Agencia Espacial Europea para detectar las ondas gravitacionales en el espacio. Si con brazos de cuatro km (que realmente son mil 120 km) LIGO es sensible, imagínense lo que harán varios millones de kilómetros).

La astronomía de ondas gravitacionales ayudará a explorar algunas de las grandes cuestiones de la física: ¿Cómo se forman los agujeros negros?  ¿Es la relatividad general la descripción correcta de la gravedad? ¿Cómo se comporta la materia bajo las condiciones extremas de temperatura y presión de las estrellas de neutrones y las supernovas?, pero eso está aún por venir.

 

 

carlost@inaoep.mx