El detector de ondas gravitacionales LIGO finalmente vuelve a estar en línea con emocionantes actualizaciones para hacerlo mucho más sensible

Después de una pausa de tres años, los científicos de EE. UU. acaban de encender detectores capaces de medir ondas gravitacionales, pequeñas ondas en el espacio mismo que viajan a través del universo.

A diferencia de las ondas de luz, las ondas gravitacionales casi no se ven obstaculizadas por las galaxias, las estrellas, el gas y el polvo que llenan el universo. Esto significa que, al medir las ondas gravitacionales, los astrofísicos como yo podemos mirar directamente al corazón de algunos de los fenómenos más espectaculares del universo.

Desde 2020, el Observatorio de ondas gravitacionales interferométricas láser, comúnmente conocido como LIGO, ha estado inactivo mientras se sometía a algunas actualizaciones interesantes. Estas mejoras aumentarán significativamente la sensibilidad de LIGO y deberían permitir que la instalación observe objetos más distantes que producen ondas más pequeñas en el espacio-tiempo.

Al detectar más eventos que crean ondas gravitacionales, habrá más oportunidades para que los astrónomos también observen la luz producida por esos mismos eventos. Ver un evento a través de múltiples canales de información, un enfoque llamado astronomía de múltiples mensajes, brinda a los astrónomos oportunidades raras y codiciadas para aprender sobre física mucho más allá del ámbito de cualquier prueba de laboratorio.

De acuerdo con la teoría de la relatividad general de Einstein, la masa y la energía deforman la forma del espacio y el tiempo. La flexión del espacio-tiempo determina cómo se mueven los objetos entre sí, lo que las personas experimentan como gravedad.

Las ondas gravitacionales se crean cuando objetos masivos como agujeros negros o estrellas de neutrones se fusionan entre sí, produciendo grandes cambios repentinos en el espacio. El proceso de deformación y flexión del espacio envía ondas a través del universo como una ola a través de un estanque en calma. Estas ondas viajan en todas las direcciones desde una perturbación, curvando minuciosamente el espacio mientras lo hacen y cambiando muy levemente la distancia entre los objetos en su camino.

Aunque los eventos astronómicos que producen ondas gravitacionales involucran algunos de los objetos más masivos del universo, el estiramiento y contracción del espacio es infinitesimalmente pequeño. Una fuerte onda gravitacional que atraviesa la Vía Láctea puede cambiar el diámetro de toda la galaxia en tres pies (un metro).

Aunque Einstein lo predijo por primera vez en 1916, los científicos de esa época tenían pocas esperanzas de medir los pequeños cambios en la distancia postulados por la teoría de las ondas gravitacionales.

Alrededor del año 2000, los científicos de Caltech, el Instituto de Tecnología de Massachusetts y otras universidades de todo el mundo terminaron de construir lo que es esencialmente la regla más precisa jamás construida: LIGO.

LIGO se compone de dos observatorios separados, uno ubicado en Hanford, Washington, y el otro en Livingston, Louisiana. Cada observatorio tiene la forma de una L gigante con dos brazos de 2,5 millas de largo (cuatro kilómetros de largo) que se extienden desde el centro de la instalación a 90 grados entre sí.

Para medir las ondas gravitacionales, los investigadores hacen brillar un láser desde el centro de la instalación hasta la base de la L. Allí, el láser se divide de modo que un rayo viaja por cada brazo, se refleja en un espejo y regresa a la base. Si una onda gravitacional pasa a través de los brazos mientras el láser está brillando, los dos rayos regresarán al centro en momentos ligeramente diferentes. Al medir esta diferencia, los físicos pueden discernir que una onda gravitacional atravesó la instalación.

LIGO comenzó a operar a principios de la década de 2000, pero no era lo suficientemente sensible para detectar ondas gravitacionales. Entonces, en 2010, el equipo de LIGO cerró temporalmente la instalación para realizar actualizaciones para aumentar la sensibilidad. La versión mejorada de LIGO comenzó a recopilar datos en 2015 y casi de inmediato detectó ondas gravitacionales producidas por la fusión de dos agujeros negros.

Desde 2015, LIGO ha completado tres recorridos de observación. La primera, ejecutar O1, duró unos cuatro meses; el segundo, O2, unos nueve meses; y el tercero, O3, funcionó durante 11 meses antes de que la pandemia de COVID-19 obligara a cerrar las instalaciones. Comenzando con la ejecución de O2, LIGO ha estado observando conjuntamente con un observatorio italiano llamado Virgo.

Entre cada ejecución, los científicos mejoraron los componentes físicos de los detectores y los métodos de análisis de datos. Al final de la ejecución O3 en marzo de 2020, los investigadores de la colaboración LIGO y Virgo habían detectado alrededor de 90 ondas gravitacionales de la fusión de agujeros negros y estrellas de neutrones.

Los observatorios aún no han alcanzado su máxima sensibilidad de diseño. Entonces, en 2020, ambos observatorios se cerraron una vez más para realizar actualizaciones.

Los científicos han estado trabajando en muchas mejoras tecnológicas.

Una actualización particularmente prometedora involucró la adición de una cavidad óptica de 300 metros (1,000 pies) para mejorar una técnica llamada compresión. La compresión permite a los científicos reducir el ruido del detector utilizando las propiedades cuánticas de la luz. Con esta actualización, el equipo de LIGO debería poder detectar ondas gravitacionales mucho más débiles que antes.

Mis compañeros de equipo y yo somos científicos de datos en la colaboración LIGO, y hemos estado trabajando en varias actualizaciones diferentes del software utilizado para procesar datos LIGO y los algoritmos que reconocen signos de ondas gravitacionales en esos datos. Estos algoritmos funcionan mediante la búsqueda de patrones que coincidan con los modelos teóricos de millones de posibles eventos de fusión de agujeros negros y estrellas de neutrones. El algoritmo mejorado debería ser capaz de detectar más fácilmente los débiles signos de ondas gravitacionales del ruido de fondo en los datos que las versiones anteriores de los algoritmos.

A principios de mayo de 2023, LIGO inició una breve prueba, denominada ejecución de ingeniería, para asegurarse de que todo funcionaba. El 18 de mayo, LIGO detectó ondas gravitacionales probablemente producidas por una estrella de neutrones que se fusiona en un agujero negro.

La carrera de observación 04 de 20 meses de LIGO comenzó oficialmente el 24 de mayo, y más tarde se le unirán Virgo y un nuevo observatorio japonés: el detector de ondas gravitacionales Kamioka, o KAGRA.

Si bien hay muchos objetivos científicos para esta carrera, hay un enfoque particular en la detección y localización de ondas gravitacionales en tiempo real. Si el equipo puede identificar un evento de ondas gravitacionales, averiguar de dónde provienen las ondas y alertar rápidamente a otros astrónomos sobre estos descubrimientos, les permitiría apuntar otros telescopios que recolectan luz visible, ondas de radio u otros tipos de datos en la fuente. de la onda gravitatoria. Recopilar múltiples canales de información sobre un solo evento (astrofísica de múltiples mensajes) es como agregar color y sonido a una película muda en blanco y negro y puede proporcionar una comprensión mucho más profunda de los fenómenos astrofísicos.

Los astrónomos solo han observado un solo evento tanto en ondas gravitacionales como en luz visible hasta la fecha: la fusión de dos estrellas de neutrones vistas en 2017. Pero a partir de este evento único, los físicos pudieron estudiar la expansión del universo y confirmar el origen de algunos de los eventos más energéticos del universo conocidos como estallidos de rayos gamma.

Con Run O4, los astrónomos tendrán acceso a los observatorios de ondas gravitacionales más sensibles de la historia y, con suerte, recopilarán más datos que nunca. Mis colegas y yo tenemos la esperanza de que los próximos meses den como resultado una, o tal vez muchas, observaciones de múltiples mensajeros que traspasarán los límites de la astrofísica moderna.

Este artículo se vuelve a publicar de The Conversation bajo una licencia Creative Commons. Lea el artículo original.

Crédito de la imagen: Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA/Scott Noble; datos de simulación, d'Ascoli et al. 2018