Cuando objetos masivos como los agujeros negros se fusionan o las estrellas de neutrones chocan, pueden provocar que las ondas gravitacionales se propaguen por el universo. Estas ondas viajan a la velocidad de la luz y provocan distorsiones muy pequeñas en el espacio-tiempo. Albert Einstein predijo su existencia hace más de un siglo, pero los científicos no los observaron directamente hasta 2015. Ahora, el profesor Ralf Schutzhold, físico teórico del Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), propone llevar la ciencia aún más lejos. Esbozó un experimento que no sólo detectaría ondas gravitacionales sino que también influiría activamente en ellas. La idea, publicada en la revista Physical Review Letters, podría ayudar a los científicos a explorar la naturaleza cuántica de la gravedad, sospechada desde hace mucho tiempo.
“La gravedad afecta a todo, incluida la luz”, afirma Schutzhold. Esto significa que cuando las ondas de luz se encuentran con ondas gravitacionales, las dos pueden interactuar. Su propuesta se centró en la transferencia de pequeñas cantidades de energía de haces de luz a una onda gravitacional transitoria. Cuando esto sucede, la luz pierde una pequeña cantidad de energía, mientras que las ondas gravitacionales ganan exactamente la misma cantidad. Esta fuerza corresponde a uno o más gravitones, partículas teóricas que se cree que transportan fuerzas gravitacionales, aunque nunca han sido observadas directamente. “Esto hará que las ondas gravitacionales sean más intensas”, explica el físico. Al mismo tiempo, la onda luminosa experimenta un cambio apenas detectable en su frecuencia.
El flujo de energía se invierte
“El proceso también puede ser al revés”, continuó Schützhold. En este escenario, la onda gravitacional libera un paquete de energía en la onda luminosa. En principio, se pueden medir ambos lados de este intercambio, es decir, los científicos pueden observar la absorción y emisión estimuladas de gravitones. Hacerlo requeriría una configuración experimental masiva. Schützhold estimó que los pulsos láser en el rango espectral visible o infrarrojo cercano tendrían que rebotar entre los dos espejos hasta un millón de veces. Con una configuración física de aproximadamente un kilómetro de largo, esta reflexión repetida crearía una trayectoria óptica efectiva de aproximadamente un millón de kilómetros. Esta escala debe ser lo suficientemente grande como para detectar la pequeña transferencia de energía que se produce cuando la luz interactúa con una onda gravitacional.
Detectando una señal casi invisible
La absorción o liberación de una o más fuerzas gravitacionales hará que el cambio en la frecuencia de la luz sea extraordinariamente pequeño. Aún así, Schützhold sostiene que un interferómetro cuidadosamente diseñado puede revelarlo. En un dispositivo de este tipo, las dos ondas de luz sufrirán cambios de frecuencia ligeramente diferentes dependiendo de la ganancia o pérdida de energía. Después de recorrer un largo camino óptico, las ondas se recombinarán y formarán un patrón de interferencia. Al analizar ese patrón, los investigadores pudieron determinar cómo cambiaba la frecuencia de la luz y confirmar que la energía se intercambiaba con las ondas gravitacionales.
Lecciones de LIGO y posibilidades futuras
“Pueden pasar décadas desde el concepto inicial hasta las pruebas”, afirma Schutzhold. Sin embargo, señaló que la propuesta es similar a la tecnología existente, en particular al observatorio LIGO (abreviatura de Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) que ya se utiliza para detectar ondas gravitacionales. LIGO consta de dos tubos de vacío en forma de L de unos cuatro kilómetros de largo. Un divisor de haz envía un rayo láser a cada brazo, por donde pasan las ondas gravitacionales, expandiendo y comprimiendo ligeramente el espacio-tiempo. Estas distorsiones cambian la longitud del brazo en sólo unos pocos attómetros (10 a 18 m), suficiente para cambiar el patrón de interferencia de la luz y producir una señal mensurable.
Un interferómetro diseñado en torno a la idea de Schützhold podría ir más allá de la detección y permitir a los científicos manipular ondas gravitacionales por primera vez mediante absorción y emisión estimuladas gravitacionalmente. También sugiere que el uso de pulsos de luz con fotones entrelazados, es decir, acoplados mecánicamente cuánticamente, podría mejorar en gran medida la sensibilidad del instrumento. “Entonces podremos incluso formular hipótesis sobre el estado cuántico del campo gravitacional”, afirma Schutzhold. Aunque esto no probaría directamente la existencia de la gravedad, proporcionaría pruebas sólidas que la respaldaran. Si no se producen los efectos de interferencia esperados, se pondrán en duda las teorías actuales basadas en la gravedad. Por esta razón, no sorprende que la propuesta de Schützhold haya atraído considerable atención en la comunidad física.
