Pensándolo bien...

Desde que Albert Einstein formuló en 1916 la teoría general de la relatividad, el concepto de ondas gravitacionales se convirtió en uno de los pilares teóricos más profundos de la física moderna. Estas ondulaciones del espacio-tiempo, producidas por la aceleración de masas extremas, como las fusiones de agujeros negros o las colisiones de estrellas de neutrones, fueron durante casi un siglo una predicción matemática sin confirmación experimental.

La detección directa de ondas gravitacionales en 2015 por el Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferometría Láser (LIGO) marcó un hito histórico y abrió una nueva era de la astronomía. Sin embargo, las ondas gravitacionales cubren un amplio espectro de frecuencias, y las técnicas actuales de detección son sensibles solo a una fracción de este rango. En particular, la llamada “banda media”, comprendida entre aproximadamente 0,001 y 1 Hz, continúa siendo un dominio prácticamente inexplorado. En esta región se encuentran señales generadas por sistemas binarios de enanas blancas, estrellas de neutrones y agujeros negros masivos que se fusionan, así como ecos cosmológicos del universo primitivo. Detectarlas permitiría rellenar un vacío fundamental entre los interferómetros terrestres como LIGO y Virgo, sensibles a frecuencias altas de decenas a miles de Hz, y las misiones espaciales planificadas como LISA (Laser Interferometer Space Antenna), orientadas a frecuencias bajas (entre 10⁻⁴ y 10⁻¹ Hz).

En este contexto, un grupo de investigadores liderado por la Dra. Vera Guarrera, de la Universidad de Birmingham (Reino Unido), ha propuesto un nuevo método de detección basado en tecnologías ópticas desarrolladas originalmente para los relojes atómicos de precisión. Este enfoque, publicado en Classical and Quantum Gravity en 2024, promete abrir una ventana intermedia del espectro gravitacional utilizando instrumentos compactos de laboratorio, desarrollados mucho antes de que se implementaran las misiones espaciales.

Las ondas gravitacionales son perturbaciones en la curvatura del espacio-tiempo que se propagan a la velocidad de la luz. En la formulación de Einstein, se originan cuando una distribución de masa experimenta aceleraciones no simétricas, como las producidas por sistemas binarios o colapsos gravitacionales. Su detección implica medir variaciones de distancia entre dos puntos del espacio muy pequeñas, ínfimas, del orden de una fracción del diámetro de un protón, lo que requiere instrumentos de una sensibilidad extrema.

El espectro de las ondas gravitacionales cubre más de veinte órdenes de magnitud en frecuencia, desde ondas ultrabajas (~10⁻¹⁸ Hz), asociadas a procesos cosmológicos del universo primigenio, hasta ondas de alta frecuencia (~1 GHz), vinculadas con fenómenos cuánticos, hipotéticamente. Dentro de este amplio rango, cada técnica de detección focaliza un segmento específico:

• Ondas de muy baja frecuencia (10⁻⁹ a 10⁻⁷ Hz), medidas indirectamente mediante la sincronización de púlsares en el rango del milisegundo.
• Ondas de baja frecuencia (10⁻⁴ a 10⁻¹ Hz), que son el objetivo de proyectos espaciales como LISA, Taiji y TianQin.
• Ondas de frecuencia media (10⁻³ a 1 Hz), aún inexploradas.
• Ondas de frecuencia alta (10 a 10³ Hz): detectadas por LIGO, Virgo y KAGRA.

La banda media representa una especie de “territorio oscuro” en la cartografía gravitacional del Cosmos. Su estudio permitiría observar fenómenos como las fusiones progresivas de agujeros negros intermedios o los sistemas binarios compactos de nuestra galaxia que evolucionan hacia la coalescencia final detectable por LIGO.

Imagen creada con ayuda de ChatGPT con DALL-E

Las fusiones de agujeros negros constituyen una de las fuentes más potentes de ondas gravitacionales. Cuando dos agujeros negros giran uno alrededor del otro, su movimiento emite energía gravitacional, lo que provoca que su órbita se reduzca gradualmente hasta la colisión. En el instante de la fusión, la energía liberada en forma de ondas gravitacionales puede superar la de todas las estrellas del universo juntas durante ese breve momento.

Estas ondas codifican información sobre las masas, espines y distancias de los agujeros negros, así como sobre la dinámica del espacio-tiempo en condiciones extremas. Sin embargo, los detectores terrestres actuales están limitados a observar fusiones relativamente rápidas, correspondientes a agujeros negros de masa estelar, de decenas de masas solares. En cambio, las fusiones de agujeros negros intermedios o supermasivos, de miles a millones de masas solares, emiten en frecuencias más bajas, situadas precisamente en la banda media. Detectarlas es crucial para reconstruir la historia de crecimiento de las galaxias y de sus núcleos masivos.

Las ondas gravitacionales de banda media (entre 0,001 y 1 Hz) son generadas por sistemas binarios compactos de enanas blancas o estrellas de neutrones en la Vía Láctea, por fusiones tempranas de agujeros negros supermasivos, y por posibles fondos estocásticos originados en el universo primitivo. No obstante, su detección es extremadamente difícil, ya que las frecuencias son demasiado bajas para interferómetros terrestres, cuyo ruido sísmico domina por debajo de 1 Hz, pero demasiado altas para las misiones espaciales en planificación.

El nuevo enfoque propuesto por el equipo de Vera Guarrera se basa en la tecnología de resonadores ópticos desarrollada para relojes atómicos ópticos. Son los relojes más precisos jamás construidos y  miden el tiempo observando la frecuencia de luz emitida cuando los átomos realizan transiciones entre estados energéticos. La estabilidad de sus cavidades ópticas permite controlar la fase de la luz con una precisión de 1 parte en 10¹⁸, lo que los convierte en herramientas ideales para detectar perturbaciones mínimas. El detector propuesto consiste en dos cavidades ópticas (“caries”) perpendiculares entre sí, cada una formada por un par de espejos que rebotan luz láser siguiendo trayectorias controladas. A diferencia de un interferómetro clásico como LIGO, que mide el alargamiento o acortamiento de los brazos, este diseño se centra en las variaciones de fase de la luz inducidas por la onda gravitacional.

Los autores explican el interés del procedimiento basado en que el “El punto esencial del enfoque es que las ondas gravitacionales en la banda media no deforman el espaciador rígido de la cavidad, sino que alteran la fase de la luz a medida que se propaga entre los espejos. La longitud de la cavidad definida por el espaciador permanece constante, mientras que la trayectoria óptica a través del espacio varía con la onda que pasa”. Esta sutileza es fundamental, porque en lugar de medir desplazamientos mecánicos de los espejos, que se ven afectados por ruido térmico y vibraciones, el sistema detecta modulaciones ópticas puras, lo que incrementa su sensibilidad a las frecuencias intermedias.

 Se trata de emplear una tecnología ya madura que permite construir instrumentos compactos del tamaño de una mesa de laboratorio, sin necesidad de grandes infraestructuras. Esto abre la posibilidad de desarrollar una red mundial de detectores ópticos, capaces de triangular señales y mejorar la sensibilidad colectiva, según indican los autores del estudio publicado. Aunque la sensibilidad inicial sería inferior a la de LISA o Taiji, su implementación inmediata podría generar resultados antes de que las misiones espaciales estén operativas, algo que probablemente no ocurra hasta mediados de la década de 2030. Además, el bajo costo y portabilidad del sistema favorecerían la creación de una red global coordinada, semejante a la red de relojes atómicos distribuidos que actualmente sincronizan el tiempo universal. Esta red podría registrar coincidencias entre señales débiles, validando detecciones por correlación estadística.

Los proyectos espaciales LISA (ESA-NASA), Taiji (China) y TianQin (China) están diseñados para detectar ondas gravitacionales de baja frecuencia mediante interferometría láser entre satélites separados millones de kilómetros. Sin embargo, su construcción y lanzamiento exigen décadas de preparación y miles de millones de euros de inversión. En cambio, el detector de cavidad óptica propuesto por Guarrera y sus colaboradores puede construirse con componentes ópticos comerciales y operar desde tierra, con un costo miles de veces menor. Aunque la sensibilidad absoluta sea inferior, su objetivo no es competir con LISA, sino complementarla y explorar el terreno intermedio. De hecho, los datos obtenidos podrían orientar futuras misiones espaciales hacia frecuencias o regiones específicas del espectro. Las limitaciones principales del método incluyen la interferencia ambiental, con las vibraciones, fluctuaciones térmicas y ruido cuántico del láser, que exigen condiciones de laboratorio altamente controladas. No obstante, los avances en estabilización óptica y refrigeración criogénica podrían mejorar la precisión en los próximos años.

La posibilidad de detectar ondas gravitacionales de banda media tiene implicaciones importantes. En primer lugar, completaría el “espectro continuo” de observación gravitacional, permitiendo estudiar la evolución dinámica de sistemas binarios desde su formación hasta la coalescencia. En segundo lugar, aportaría información sobre la radiación de fondo del Universo, una radiación gravitacional de origen cosmológico que podría revelar condiciones del universo anteriores a la recombinación. Desde una perspectiva más amplia, la instrumentación basada en resonadores ópticos demuestra cómo la tecnología del tiempo (metrología) y la ciencia del espacio-tiempo (relatividad) convergen. Los mismos principios que permiten medir segundos con precisión atómica ahora podrían usarse para escuchar el pulso del cosmos.

La detección de ondas gravitacionales representa una de las mayores revoluciones científicas del siglo XXI, al permitir observar el universo no solo a través de la luz, sino del tejido mismo del espacio-tiempo. Sin embargo, aún existen regiones del espectro inexploradas. La banda media, donde resuenan las fusiones de agujeros negros masivos y las huellas del cosmos primitivo, sigue siendo una frontera. El enfoque de resonadores ópticos cruzados propuesto por el equipo de la Universidad de Birmingham constituye una estrategia ingeniosa, práctica y económica para explorar esa frontera desde la Tierra. Adaptando la precisión extrema de los relojes atómicos ópticos a la astrofísica gravitacional, los investigadores abren una puerta hacia un universo invisible. Si los proyectos espaciales como LISA serán los grandes telescopios del futuro, estos detectores ópticos pueden considerarse los primeros oídos terrestres de una nueva sinfonía cósmica.

Sopa de letras: ONDAS GRAVITACIONALES

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