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¿Estamos preparados para detectar un agujero negro por día?

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Imagen cortesía de Caltech/MIT/LIGO Lab

A partir de 2023, el Observatorio de Ondas Gravitacionales de Interferómetro Láser (LIGO, por sus siglas en inglés) experimentará su mejora más significativa desde el año 2015, según anunciaron las agencias de financiamiento del Reino Unido y de los Estados Unidos.

El observatorio hizo su primera detección, las ondas gravitacionales de la fusión de dos agujeros negros, en septiembre de ese año. Ahora ha acumulado diez fusiones de agujeros negros, más una fusión de dos estrellas de neutrones. LIGO ha estado realizando mejoras periódicas, y ahora está a punto de reabrirse después de una actualización diseñada para aumentar su sensibilidad en un 50%.

La Fundación Nacional de Ciencia de EE. UU. estará aportando 20.4 millones de dólares al proyecto Advanced LIGO Plus (o ALIGO +), y UK Research and Innovation invertirá otros 10.7 millones de libras (US $ 13.7 millones), con una pequeña contribución de Australia. Las graduaciones en los dos sitios de LIGO, en el estado de Washington y en Louisiana, incluirán la adición de una cavidad óptica de alto vacío de 300 metros de largo. Eso ayudará a los científicos a manipular las propiedades cuánticas de los láseres en el corazón del sistema de detección de LIGO y a reducir el ruido.

Pero las actualizaciones de ALIGO + serán más espectaculares. Si todo va según lo planeado, LIGO podrá detectar las fusiones de estrellas de neutrones que se producen dentro de los 325 megaparsecs (alrededor de 1.000 millones de años luz) de la Tierra, le aseguró a la revista científica Nature el físico Ken Strain, de la Universidad de Glasgow, Reino Unido, que lidera un consorcio de Universidades británicas. Eso casi duplicaría la sensibilidad de diseño de 173 megaparsecs que LIGO espera alcanzar antes de la actualización de ALIGO +.

LIGO ya puede detectar agujeros negros a miles de millones de parsecs. Para el año 2022, debería detectar aproximadamente uno de esos sucesos por día, y la actualización posterior de ALIGO + debería llevarlo a un evento cada pocas horas.

Los cambios también mejorarán la calidad de las observaciones, no solo su frecuencia, de acuerdo con el ex director de LIGO, Barry Barish. Disminuir el ruido permitirá a los investigadores contar cómo los agujeros negros giraban antes de fusionarse, lo que puede proporcionar pistas sobre su historia. “Te da la capacidad de medir cosas que no estas en condiciones de medir ahora”, aclara Barish, físico del Instituto de Tecnología de California en Pasadena que compartió el Premio Nobel de Física 2017.

Bajando el ruido

Los interferómetros de ondas gravitacionales funcionan comparando continuamente la longitud de sus dos brazos. Lo hacen rebotando rayos láser entre pares de espejos en los extremos de cada brazo, y luego hacen que los dos rayos converjan en un punto central y se superpongan. En ausencia de ondas gravitacionales, las oscilaciones electromagnéticas de los haces se cancelan. Pero si se altera el espacio-tiempo y los brazos cambian de longitud, los rayos láser ya no se cancelan entre sí y un sensor comienza a detectar la luz.

En la práctica, los espejos no pueden mantenerse perfectamente inmunes a las vibraciones térmicas y sísmicas. Además, el láser en sí produce ruido, debido a la naturaleza aleatoria de la física cuántica. Los científicos de LIGO han desarrollado técnicas elaboradas para amortiguar estas fuentes de ruido y para extraer señales de cualquier ruido sobrante.

La actualización de LIGO que está a punto de completarse incluye la implementación de una técnica llamada luz exprimida, que también es utilizada por el interferómetro Virgo liderado por Francia e Italia cerca de Pisa, Italia. El sistema de luz exprimida de LIGO reducirá las fluctuaciones en la cantidad de fotones que llegan al sensor de luz, pero aumenta la cantidad de rayos que empujan los espejos alrededor. Al igual que el aire en un colchón de aire parcialmente inflado, el ruido cuántico no se puede eliminar por completo, solo se puede cambiar.

La mejora más importante para ALIGO +, que requiere tuberías de 300 metros, introducirá la compresión dependiente de la frecuencia. Esto permitirá a los interferómetros reducir tanto la presión en los espejos como las fluctuaciones de los fotones al mismo tiempo. Otras mejoras incluirán nuevos espejos con recubrimientos de vanguardia, que se espera que reduzcan cuatro veces el ruido térmico.