Los detectores de ondas gravitacionales pronto podrían obtener un importante aumento en su rendimiento, gracias al avance de un nuevo instrumento dirigido por el físico Jonathan Richardson de la Universidad de California, Riverside. En un artículo de investigación publicado en la revista Dr. ópticoRichardson y sus colegas describen FROSTI, un prototipo a gran escala que controla con éxito frentes de ondas láser de muy alta potencia dentro del Observatorio de Ondas Gravitacionales con Interferómetro Láser, o LIGO.
LIGO es un observatorio que mide ondas gravitacionales: pequeñas ondas en el espacio-tiempo creadas por objetos masivos en aceleración, como agujeros negros en colisión. Estas ondas fueron las primeras en detectarlas directamente, proporcionando un fuerte apoyo a la teoría de la relatividad de Einstein. Utilizando dos interferómetros láser de 4 kilómetros de largo ubicados en Washington y Luisiana, LIGO detecta perturbaciones increíblemente pequeñas, brindando a los científicos una nueva forma de estudiar los agujeros negros, la cosmología y la materia en condiciones extremas.
LIGO se basa en espejos que se encuentran entre los componentes más cuidadosamente diseñados por la ciencia moderna. Cada espejo mide 34 cm de ancho, 20 cm de espesor y pesa alrededor de 40 kg. Para detectar distorsiones puntuales menores que 1/1000 del diámetro de un protón, estos espejos deben mantenerse casi perfectamente quietos. Incluso pequeñas vibraciones o ruido ambiental pueden ahogar las débiles señales de ondas gravitacionales que LIGO está tratando de detectar.
“En el corazón de nuestra innovación se encuentra un novedoso dispositivo de óptica adaptativa diseñado para remodelar con precisión las superficies de los espejos principales de LIGO con una potencia láser de más de 1 megavatio, más de mil millones de veces más potente que un puntero láser típico y que utiliza aproximadamente cinco veces la potencia de LIGO”, dijo Richardson y profesor asistente de física. “Esta tecnología abre un nuevo camino para el futuro de la astronomía de ondas gravitacionales. Es un paso importante para habilitar detectores de próxima generación como Cosmic Explorer, que verán el universo más profundamente que nunca”.
FROSTI: control térmico de precisión para espejos LIGO
FROSTI, abreviatura de Front Surface Type Irradiator, es un sistema de control de frente de onda de precisión diseñado para cancelar las distorsiones producidas cuando una intensa luz láser calienta la óptica de LIGO. Los sistemas existentes sólo pueden realizar correcciones relativamente burdas, pero FROSTI utiliza un método de proyección térmica más avanzado para aplicar correcciones finas y de orden superior a las superficies de los espejos. Este nivel de control es esencial para los requisitos de rendimiento más exigentes de los futuros detectores.
A pesar de su gélido nombre, FROSTI funciona calentando la superficie del espejo de una manera muy controlada que la devuelve a su forma óptica ideal. Utilizando radiación térmica, el sistema proyecta un patrón de calor cuidadosamente diseñado sobre el espejo. Esto suaviza las distorsiones ópticas y evita ruido adicional que podría confundirse con una verdadera señal de onda gravitacional.
Por qué es importante una mejor óptica para la astronomía de ondas gravitacionales
LIGO detectó las primeras ondas gravitacionales en 2015, lo que marcó el comienzo de una nueva era en la astronomía. Sin embargo, para explotar plenamente esta nueva forma de observar el universo, los próximos detectores necesitarán ver eventos más distantes y medirlos con mayor precisión.
“Esto significa superar los límites tanto de la potencia del láser como de la precisión a nivel cuántico”, dijo Richardson. “El problema es que el aumento de la potencia del láser destruye los delicados estados cuánticos en los que confiamos para mejorar la claridad de la señal. Nuestra nueva tecnología resuelve esta tensión para que la óptica permanezca intacta, incluso a niveles de potencia de megavatios”.
Con este enfoque, se espera que la nueva tecnología expanda el universo de ondas gravitacionales observables en un factor de 10. Este aumento en el alcance permitirá a los astrónomos detectar millones de agujeros negros y fusiones de estrellas de neutrones a lo largo de la historia cósmica y estudiarlos con un detalle sin precedentes.
Mirando hacia el futuro: LIGO A# y Cosmic Explorers
Se espera que FROSTI sea un componente clave de LIGO A#, una actualización planificada que servirá como banco de pruebas para el observatorio de próxima generación conocido como Cosmic Explorer. El prototipo actual se demuestra en un espejo LIGO de 40 kg, pero los mismos principios podrían ampliarse y adaptarse al espejo mucho más grande de 440 kg propuesto para el explorador cósmico.
“El prototipo actual es sólo el comienzo”, dijo Richardson. “Ya estamos diseñando nuevas versiones capaces de corregir distorsiones ópticas más complejas. Esta es la base de I+D para los próximos 20 años de astronomía de ondas gravitacionales”.
Richardson realizó la investigación en colaboración con científicos de la UCR, el MIT y Caltech.
El trabajo fue apoyado por una subvención para Richardson de la Fundación Nacional de Ciencias.
