Cuando dos agujeros negros se fusionan, liberan una enorme cantidad de energía. Cuando LIGO detectó la primera fusión de agujeros negros en 2015, descubrimos que se liberaron tres masas solares de energía como ondas gravitacionales. Pero las ondas gravitacionales no interactúan fuertemente con la materia. Los efectos de las ondas gravitacionales son tan pequeños que deberías estar extremadamente cerca de una fusión para sentirlos. Entonces, ¿cómo podemos observar las ondas gravitacionales de los agujeros negros fusionados a lo largo de millones de años luz?
Es ridículamente difícil. Las ondas gravitacionales son ondas en la estructura del espacio-tiempo. Cuando una onda gravitacional pasa a través de un objeto, las posiciones relativas de las partículas en el objeto cambian ligeramente, y solo a través de esos cambios podemos detectar las ondas gravitacionales. Pero ese cambio es minúsculo. LIGO mide el desplazamiento por pares de espejos que están a 4 kilómetros de distancia. Cuando una fuerte onda gravitacional pasa por LIGO, los espejos se desplazan solo unas milésimas del ancho de un protón.
Esquema que muestra cómo funciona LIGO. Crédito: Johan Jarnestad / Real Academia Sueca de Ciencias
LIGO mide esta distancia mediante un proceso conocido como interferometría láser. La luz tiene propiedades onduladas, por lo que cuando dos haces de luz se superponen, se combinan como ondas. Si las ondas de la luz se alinean o están 'en fase', entonces se superponen para volverse más brillantes. Si están desfasados, se cancelan y se atenúan. Entonces, LIGO comienza con un rayo de luz que está en fase y lo divide, enviando un rayo a lo largo de un brazo de LIGO y otro a lo largo del otro. Cada uno de los rayos rebota en un espejo a 4 kilómetros de distancia y luego vuelve a combinarse en un solo rayo visto por un detector. Si la distancia de un espejo cambia, también lo hace el brillo de la luz combinada.
La longitud de onda de la luz es del orden de un micrómetro, pero las ondas gravitacionales solo desplazan los espejos en una billonésima parte de esa distancia. Entonces, LIGO hace que cada rayo viaje de un lado a otro a lo largo de un brazo cientos de veces antes de combinarse. Esto aumenta drásticamente la sensibilidad de LIGO, pero también plantea otros problemas.
Se actualizan los espejos LIGO. Crédito: Caltech / MIT / LIGO Lab
Para que funcionen, los espejos LIGO deben aislarse de las vibraciones de fondo del suelo y de los instrumentos cercanos. Para lograr esto, las matrices de espejos se suspenden mediante delgados hilos de vidrio. Todo el sistema también debe colocarse al vacío. El detector es tan sensible que las moléculas de aire que atraviesan los rayos de luz se captan como ruido. La presión del aire dentro de la cámara de vacío de LIGO es menos de una billonésima parte de una atmósfera, que es más baja que el espacio intergaláctico.
Hasta los límites de la ingeniería humana, el sistema LIGO es un sistema de vacío aislado donde lo único que puede mover los espejos es la propia gravedad. No es perfecto, pero está muy bien. Tan bueno que las cosas empiezan a ponerse raras. Incluso si el detector estuviera perfectamente aislado y colocado en un vacío perfecto, los detectores seguirían captando ruido. El sistema es tan sensible que puede detectar fluctuaciones cuánticas en el espacio vacío.
Una propiedad central de los sistemas cuánticos es que nunca se pueden precisar por completo. Es parte del principio de incertidumbre de Heisenberg. Esto es cierto incluso para una aspiradora. Esto significa que aparecen fluctuaciones cuánticas dentro del vacío. A medida que los fotones de luz viajan a través de estas fluctuaciones, se empujan un poco. Esto hace que los rayos de luz se desfasen ligeramente. Imagínese una flota de pequeñas embarcaciones navegando por un mar embravecido y lo difícil que sería mantenerlas juntas.
Un primer plano del exprimidor cuántico de LIGO. Crédito: Maggie Tse
Pero la incertidumbre cuántica es algo gracioso. Aunque los aspectos de un sistema cuántico siempre serán inciertos, algunas partes pueden ser extremadamente precisas. El problema es que si hace que una parte sea más precisa, otra parte se vuelve menos precisa. Para la luz, esto significa que puede mantener la fase del haz más alineada al hacer que el brillo de la luz sea más incierto. Esto se conoce como luz exprimida porque exprime una incertidumbre más pequeña a costa de otra.
Animación que muestra un estado de luz exprimido. Crédito: usuario de Wikipedia Geek3
Este estado de luz exprimido se realiza a través de un oscilador paramétrico óptico. Básicamente es un juego de espejos alrededor de un tipo especial de cristal. Cuando la luz atraviesa el cristal, minimiza las fluctuaciones de fase. Las fluctuaciones de amplitud aumentan, pero es la fase lo que más importa a los detectores LIGO.
Con esta actualización, la sensibilidad de LIGO debería duplicarse. Esto ayudará a los astrónomos a ver las fusiones de agujeros negros con mayor claridad. También podría permitir a LIGO ver nuevos tipos de fusiones. Aquellos que son más débiles o más lejanos de lo que hemos visto antes.
Fuente: El nuevo instrumento amplía el alcance de LIGO , Noticias del MIT.
