LIGO y Virgo reanudan la búsqueda de ondas gravitacionales

La búsqueda de ondas gravitacionales ha comenzado de nuevo, esta vez asistida por una nueva técnica cuántica. Tras una parada de 19 meses, los tres grandes detectores de la red de interferómetros actualmente en funcionamiento (dos del experimento LIGO, en EE.UU., y uno del laboratorio Virgo, en Italia) reanudaron la toma de datos el pasado 1 de abril.

En esta ocasión, y debido en parte a un fenómeno cuántico conocido como «luz comprimida» (squeezed light), los laboratorios no solo detectarán más ondas gravitacionales, sino que podrán hacerlo con más detalle que antes. Los investigadores también esperan poder observar nuevos fenómenos, como explosiones de supernova o fusiones de agujeros negros y estrellas de neutrones.

Esta nueva tanda de toma de datos, que se prolongará hasta marzo de 2020, traerá consigo algunos cambios importantes para la astronomía de ondas gravitacionales. Por primera vez, LIGO y Virgo enviarán alertas públicas de sus detecciones en tiempo real, con el objetivo informar a otros observatorios —y a cualquiera que tenga un telescopio— de los fenómenos que avisten y que estos puedan ser estudiados de manera simultánea con instrumentos tradicionales, desde radiotelescopios hasta observatorios espaciales de rayos X. 

Las alertas también estarán disponibles a través de una aplicación para teléfonos inteligentes. «Los astrónomos están realmente ansiosos», asegura David Reitze, físico del Instituto de Tecnología de California y director del Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferometría Láser (LIGO), que en 2016 hizo historia al anunciar la primera detección de ondas gravitacionales. 

En las dos rondas de observación previas, los detectores gemelos de LIGO captaron 11 señales de ondas gravitacionales, 10 de ellas procedentes de la colisión y posterior fusión de dos agujeros negros. El detector Virgo, un poco menor en tamaño, se unió a la red en 2017 e hizo importantes contribuciones a varias observaciones; en particular, a la primera detección de las ondas generadas por la fusión de dos estrellas de neutrones. Los datos recabados entonces, a los que se sumaron los obtenidos por multitud de observatorios tradicionales, ayudaron a resolver varios misterios astronómicos. 

Los investigadores esperan que, con las últimas mejoras técnicas, LIGO y Virgo puedan detectar muchos más eventos que en las tandas anteriores, pasando de un promedio de una observación por mes a una por semana, explica Reitze. La mayoría probablemente serán fusiones de agujeros negros, si bien los físicos anhelan poder ver otra colisión de estrellas de neutrones.

Detectores más sensibles

El aumento de sensibilidad permitirá distinguir mejor las señales genuinas del constante ruido de fondo, lo que proporcionará más detalles sobre las ondas gravitacionales. A su vez, ello podría permitir efectuar pruebas precisas de la teoría de la relatividad general de Einstein.

Las detecciones futuras deberían revelar varias propiedades de los agujeros negros que se encuentran en medio de un proceso de fusión, como la velocidad con la que rotan y la dirección del eje en torno al cual lo hacen, señala Ilya Mandel, astrofísico teórico de la Universidad Monash, en Melbourne. «Tal vez podamos obtener información sobre si preferentemente están alineados», apunta. Si los ejes de rotación de los agujeros negros son paralelos, ello indicaría que probablemente tienen un origen común y que ya formaban parte de un sistema binario. Por el contrario, si se orientan al azar, sería una señal de que los objetos se formaron por separado y se encontraron más tarde.

Las mejoras técnicas han aumentado la sensibilidad del detector de LIGO situado en Livingston, en el estado de Luisiana —que ya era el más sensible—, en un 40 por ciento. En 2017, algunos problemas técnicos afectaron al otro interferómetro de LIGO, emplazado en Hanford, Washington, y al de Virgo, cerca de Pisa. Ahora, sin embargo, Virgo podrá detectar eventos ocurridos a casi del doble de distancia que antes, explica Alessio Rocchi, del Instituto Nacional de Física Nuclear de Roma y uno de los coordinadores del experimento.

Luz comprimida

Esos aumentos en la sensibilidad de los experimentos obedecen en gran medida a dos mejoras en los láseres que constituyen el corazón de los detectores. Cada uno de los interferómetros de LIGO consta de un gran sistema de vacío en forma de L con brazos de unos cuatro kilómetros de longitud. El de Virgo es similar, aunque con brazos de unos tres kilómetros. En el interior circulan constantemente rayos láser que se reflejan en espejos situados en los extremos. Cuando una onda gravitacional atraviesa la Tierra, modifica en una pequeña cantidad la longitud recorrida por los láseres, cambio que es detectado por el experimento.

Para que las señales destaquen mejor sobre el ruido de fondo, los físicos han aumentado la potencia de los láseres y han usado por primera vez un fenómeno cuántico conocido como «luz comprimida». Según la teoría cuántica, el espacio vacío es en realidad un hervidero de partículas virtuales que se crean y aniquilan sin cesar. En un detector de ondas gravitacionales, esas fluctuaciones aleatorias hacen que los fotones del láser impacten contra los espejos en momentos impredecibles. Ese ha sido el principal obstáculo para detectar ondas de alta frecuencia. Sin embargo, es posible emplear estados de luz comprimida para manipular dichas fluctuaciones y hacer que algunas de ellas tengan una frecuencia menor, lo que permite «filtrar» ondas gravitacionales de frecuencia más elevada.

La luz comprimida es desde hace décadas una herramienta habitual en los laboratorios de óptica cuántica, y desde 2010 se emplea en el detector GEO600, un banco de pruebas de LIGO con brazos de 600 metros situado cerca de la ciudad alemana de Hannover. Aquel año, un equipo ensayó por primera vez el fenómeno en el interferómetro de LIGO en Hanford.

La técnica podría mejorar la detección de las ondas gravitacionales generadas por la fusión de estrellas de neutrones o las de agujeros negros de menor tamaño. Ello se debe a que, a medida que estos objetos más pequeños orbitan en espiral antes de chocar, llegan a describir hasta 500 vueltas por segundo, por lo que las ondas que generan son de una frecuencia tan elevada que quedan fuera del intervalo de detección de los interferómetros. Ahora, los instrumentos podrán seguir la pista a estos objetos hasta su violento final.

Alertas públicas

Numerosos astrónomos de todo el mundo se están preparando para seguir las detecciones de ondas gravitacionales y examinar los mismos eventos mediante técnicas tradicionales —desde la observación en ondas de radio y luz visible hasta en rayos X— gracias a las alertas públicas que se enviarán cuando tenga lugar una observación.

La comunidad tuvo su primer contacto con esta «astronomía de multimensajeros» en 2017, cuando LIGO y Virgo detectaron la fusión de dos estrellas de neutrones y, de manera simultánea, observatorios de todo el mundo pudieron estudiar el mismo fenómeno con técnicas tradicionales. Hasta ahora, sin embargo, los equipos interesados en hacer tales seguimientos debían firmar acuerdos con las colaboraciones LIGO y Virgo para recibir alertas confidenciales, así como para respetar un período de embargo. A partir de ahora ya no será así. «Si lo siguen y ven una parte del fenómeno, podrán hacer lo que quieran. Ya no habrá restricciones en cuanto a lo que publican o cuándo lo hacen», señala Reitze. «Es un gran cambio.»

Mientras tanto, los investigadores del recién construido observatorio de ondas gravitacionales KAGRA, en Japón, se apresuran a afinar su detector a tiempo para unirse a la red a principios de 2020. Tener un cuarto detector será especialmente útil para localizar con mayor precisión la posición de un evento en el cielo.

Davide Castelvecchi/Nature News

Artículo original traducido y adaptado por Investigación y Ciencia con permiso de Nature Research Group.