Ensayo Proyecto LIGO PDF

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Descripción de los descubrimientos hechos por el proyecto LIGO, su funcionamiento e impacto en la tecnología...

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LIGO, ¿Cómo funciona y cuál es su importancia? “LIGO es un experimento magnífico, es un instrumento de súper alta precisión, algo que nunca se había construido antes, y sin duda lo que hicieron fue abrir una ventana completamente nueva para explorar el universo....” (Entrevista a Michael Kramer (director del Instituto Max Planck de Radioastronomía en Bonn)21 de marzo 2018, en la conferencia “Explorar el universo de Einstein”, Fundación BBVA, dentro del ciclo La ciencia del cosmos)

El experimento LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) se construyó en Estados Unidos como un detector de ondas gravitacionales por medio de interferometría láser. Esto fue un logro en conjunto por el Instituto de Tecnología de California (Caltech) y el Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT). Inició a tomar datos en 2002 con el fin de detectar ondas gravitacionales producidas por fenómenos astrofísicos violentos, como colisiones de agujeros negros o explosiones de supernova. Éstas ondas son perturbaciones en el espacio-tiempo que se propagan a la velocidad de la luz y generan amplitudes ahora detectables por interferómetros como LIGO. Constituyen una consecuencia directa de la Teoría de la Relatividad General de Einstein. La cual supone que el espacio-tiempo puede entenderse como una entidad maleable cuya geometría se deforma por la presencia de materia y energía: eso origina el fenómeno que percibimos como gravedad.

Los detectores LIGO utilizan la interferometría láser para estudiar los cambios de desplazamiento entre dos cuerpos libres de la manera más exacta posible. Los primeros en presentar una idea de este método fueron los físicos soviéticos Mijaíl Gertsenshtein y Vladislav Pustovoit en 1963. Pero con el paso de las décadas y varias

colaboraciones, entre ellas, de la Universidad de Glasgow y del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica de Garching. Hasta que en entre 1980 y 2010 , Vladímir Braginsky, de la Universidad de Moscú, y Kip Thorne, del Caltech, determinaron que los interferómetros avanzados funcionarían en un nuevo régimen tecnológico, en el que los espejos macroscópicos se tornarían sensibles a los efectos cuánticos, y propusieron métodos para su operación. Y así fue como durante los 90 se inició la construcción de las enormes infraestructuras que alojarían la primera generación de detectores interferométricos con brazos de cientos de metros (TAMA, en Japón, y GEO, en Alemania) y de varios kilómetros (Virgo, en Italia, y LIGO, en EE.UU.)

LIGO consta de dos grandes interferómetros situados a 3000 kilómetros de distancia: uno de ellos se encuentra en Hanford, en el estado de Washington, y el otro en Livingston, en Luisiana. Esto se planeó así con el fin de que uno confirmara los datos obtenidos por el otro y para poder localizar de una manera un poco más exacta la ubicación del fenómeno que provocó la onda detectada.

El principio de su funcionamiento

consiste en lo siguiente: “Al pasar por la Tierra, una onda gravitacional provoca ligeros cambios periódicos en la longitud de los brazos del interferómetro, estirando uno y encogiendo el otro de forma alternativa. Tales perturbaciones modifican el patrón de interferencia generado por la luz láser que va y vuelve por los brazos y que, al regresar, se recombina en un solo haz... Estos instrumentos se comportan como un cronómetro: Dado que la velocidad de la luz es constante, los cambios en el patrón de interferencia permiten deducir las pequeñas diferencias en el tiempo que tarda el láser en propagarse por cada

brazo. Una onda gravitacional puede caracterizarse por dos parámetros: su amplitud y su frecuencia. LIGO Avanzado ha sido diseñado para detectar ondas gravitacionales con frecuencias comprendidas entre los 10 y los 10.000 hercios (Hz), pudiendo observar variaciones en la posición de los espejos de hasta 3,5 × 10-20 metros/√Hz en el intervalo comprendido entre 100 y 300 Hz, el de máxima sensibilidad” (La observación de ondas gravitacionales con LIGO. Investigación y Ciencia. Febrero 2017. Alicia M. Sintes Miembro del consejo de LIGO y del comité ejecutivo de GEO. Borja Sorazu Investigador posdoctoral en el Instituto de Investigación Gravitacional de la Universidad de Glasgow y miembro de las colaboraciones LIGO y GEO).

Los brazos de los interferómetros y los componentes ópticos están integrados en un sistema de ultravacío (una presión inferior a 10 atmósferas) para disminuir los efectos de perturbaciones exteriores que pudieran desplazar los espejos. Ya que al minimizar los efectos acústicos y la dispersión de Rayleigh es más fácil diferenciar las lecturas obtenidas por una onda. -

Estas fuentes de ruido pueden ser de cuatro tipos:

Ruido sísmico, provocado por sismos, vientos, olas y actividad humana. Para mini-

mizar estos efectos, los espejos de los interferómetros cuelgan de un sistema de suspensión de péndulo de 4 etapas. Éste a su vez, se encuentra aislado por un sistema de tres capas de sensores de velocidad, posición y aceleración. Disminuyendo así el ruido de origen sísmico en 10 ordenes de magnitud a 10 Hz. -

Ruido de gradiente gravitacional, provocado por los cambios de fuerza gravitato-

ria sobre los espejos, por las alteraciones de densidad en la atmósfera de la Tierra.

-

Ruido térmico, causado por vibraciones microscópicas de los átomos que forman

los espejos y los sistemas de suspensión. Enmascara la señal a frecuencias bajas, en la banda donde el instrumento tiene mayor sensibilidad (50-100 Hz) y para minimizar éstos, se utiliza un sistema de suspensión cuyos materiales poseen muy baja disipación mecánica. Añadido a esto, la última sección del péndulo consiste de una sola pieza, lo que evita el rozamiento entre piezas y se encuentra fabricada en sílice fundido, un cristal de extrema pureza que reduce enormemente las fricciones internas en su estructura microscópica. -

Ruido cuántico, se debe a la naturaleza discreta de la luz y a sus fluctuaciones

cuánticas (principio de Heisenberg). Este se divide en dos; el ruido de disparo causado por los detectores y el causado por la presión de radiación, que es causado debido a las alteraciones en la transferencia de momento a los espejos debido a la fluctuación de fotones que los golpean. El primero se reduce al aumentar la potencia de la luz láser y el segundo al incrementar la masa de los espejos.

Según La Colaboración Científica LIGO (LSC), el desarrollo de la tecnología necesaria para medir los pequeños cambios de posición necesarios para que LIGO detecte ondas gravitacionales también puede tener otras aplicaciones: - La necesidad de una pérdida de luz muy baja en la óptica LIGO condujo al desarrollo de una técnica para medir tan baja pérdida y la compañía “Stanford Photo-Thermal Solutions” que comercializa el dispositivo desarrollado para LIGO. Se vende principalmente a los mercados de óptica básica y seguridad nacional.

- La compañía Lightwave Electronics construyó el láser inicial que LIGO usó. Ahora vende el mismo láser (y una versión mejorada) para usar en el procesamiento de materiales para fabricar diodos emisores de luz, chips de computadora y placas de circuitos de teléfonos inteligentes.

- Una señal de onda gravitacional típica tiene lo que se llama un “chirrido” en amplitud y fase. LIGO desarrolló algoritmos informáticos que son muy efectivos para encontrar estos sonidos incluso cuando están ocultos en el ruido. Señales de chirp similares aparecen en radares, sonares, pulsos láser y otras situaciones, y el algoritmo de LIGO se está utilizando en estas aplicaciones.

- El calentamiento de la óptica LIGO puede deformar el rayo láser, haciéndolo menos efectivo para medir los cambios de posición. Este problema se llama lente térmica y es compartido por otras mediciones ópticas de precisión. LIGO encontró una solución a este problema agregando ópticas adicionales al sistema cuya temperatura se puede controlar con calentadores. Esta misma tecnología ahora se está utilizando en sistemas láser de alta potencia utilizados para radares láser, soldadura, corte y perforación, y otras aplicaciones.

La primera vez en la historia que se detectó una onda gravitacional fue el 14 de septiembre de 2015, fue nombrada como GW150914. Los algoritmos de detección de LIGO revelaron que su frecuencia aumentó de 35Hz hasta 150 Hz en solo 0.2 segundos. Fue el producto de la colisión de dos agujeros negros que se encontraban a una distancia aproximada de 1300 millones de años luz de la Tierra y cuya fusión dio como resultado un agujero negro de 62 masas solares (el mayor agujero negro jamás detectado) la masa restante, equivalente a unas 3 masas solares, fue convertida en energía y radiada en forma de ondas gravitacionales.

El segundo fue el GW151226 (25 de diciembre, 2015), de nuevo, producto de la colisión de dos agujeros negros cuya fusión resultante tenía una masa de 21 masas solares, a una distancia de 1400 millones de años luz. La señal duró aproximadamente un segundo en la banda de frecuencias a la que los detectores son sensibles. Y la tercer y última onda, fue nombrada GW170104 y fue detectada el 4 de enero del 2017. De nuevo por la fusión de dos agujeros negros, que al hacerlo formaron uno solo con una magnitud de 49 masas solares. Su energía liberada en radiación gravitatoria es de dos veces la masa del sol y se liberó en 0.12 segundos. Tuvo lugar a una distancia de 3000 millones de años luz de la Tierra. Lo que también da un dato de referencia para el alcance real de las lecturas de LIGO. Ya que fue más del doble de distancia que las dos últimas lecturas.

Con este tercer fenómeno, se han hecho ya varias comparaciones con la Teoría de la Relatividad General de Einstein, por ejemplo: La dispersión de las ondas gravitacionales a medida que se desplazan, estaba, teóricamenta descartada. Sin embargo, hubo bastantes teorías alternativas que la buscaban sustentar. Pero con el nuevo conjunto de datos recabados, la dispersión queda totalmente descartada. Las conclusiones hasta el momento es que las propiedades de las ondas gravitacionales obtenidas han sido afines a las predicciones de la relatividad general. Otro de los descubrimientos significativos con los datos obtenidos ha sido respecto a la masa del gravitón (transmisor de la interacción gravitatoria), la cual teóricamente

debería ser nula, pero se ha empezado a deducir que posee una masa mil cuatrillones de veces menos que la masa del electrón. En términos astrofísicos, uno de los aspectos más importantes del nuevo hallazgo es que, con tres detecciones acumuladas ya, supone la confirmación de una población de agujeros negros nunca antes vista. En conclusión las ondas gravitacionales abren nuevos campos en el área de matemática y física. Principalmente, en el estudio de un nuevo tipo de radiación y el entendimiento de la Teoría General de la Relatividad de Einstein, tal vez incluso de un futuro, ver ésta solo como uno de los conductos que nos llevará a análisis más profundos acerca del universo.

“En las próximas dos décadas vamos a ver el mismo desarrollo que en la astronomía convencional, comprenderemos cuatro tipos de ondas gravitacionales con diferentes periodos de oscilación y cada una nos dirá cosas muy diferentes del universo. Las ondas que hemos visto oscilan en periodos de milisegundos. Pero usando LISA, que será una antena espacial, ... vamos a captar periodos que son 1.000 veces más largos, de minutos a horas. Vamos a ver incluso periodos de años y décadas. Vamos a ver la marca que dejan en el cielo ondas que tienen periodos de miles de millones de años” - Kip Thorne entrevista con EL PAÍS desde Washington, 14 de febrero del 2016 al presentar la primera detección de una onda gravitacional...