Del traductor:
Este artículo es una especie de anuncio de lo posible. El profesor David Blair resume el trabajo científico que allana el camino para aumentar la sensibilidad de los detectores de ondas gravitacionales en 40 veces o más. En la práctica, este anuncio significa que pronto veremos programas de divulgación científica completamente diferentes sobre el espacio. Y esto, por supuesto, es solo la guinda del pastel. Los detectores son un orden de magnitud más sensibles: este es un nuevo conocimiento sobre la física del espacio. La perspectiva es fascinante, así que no pude evitar traducir este texto y compartirlo.
En 2017, los astrónomos presenciaron el nacimiento de un agujero negro por primera vez. Los detectores de ondas gravitacionales recogieron las ondas en el espacio-tiempo causadas por la colisión de dos estrellas de neutrones que formaron un agujero negro, y luego otros telescopios observaron el resultado: una explosión.
Pero los detalles reales de cómo se formó el agujero negro, los detalles del movimiento de la materia momentos antes de que se ocultara en el horizonte de sucesos, pasaron desapercibidos. Esto sucedió porque las ondas gravitacionales lanzadas en estos últimos momentos tenían una frecuencia tan alta que los detectores de hoy no las captan. Si pudieras ver cómo la materia ordinaria se convierte en un agujero negro, sería algo similar al Big Bang, pero en la dirección opuesta. Los científicos que diseñan detectores de ondas gravitacionales han trabajado arduamente para descubrir cómo aumentar la sensibilidad de los detectores para que puedan observar la transformación de la materia ordinaria en un agujero negro.
Hoy nuestro equipo publica un artículo, que explica cómo aumentar la sensibilidad de los detectores. La solución propuesta podría hacer que los detectores sean 40 veces más sensibles a las ondas de alta frecuencia que necesitamos, permitiendo a los astrónomos escuchar la materia a medida que se forma en los agujeros negros. Estamos hablando de la creación de nuevos paquetes inusuales de energía (o "cuantos"), que son una mezcla de dos tipos de vibraciones cuánticas. Para lograr la sensibilidad requerida, los dispositivos basados en esta tecnología se pueden acoplar a los detectores de ondas gravitacionales existentes.
Problemas cuánticos
Los detectores de gravedad como el Observatorio de ondas gravitacionales del interferómetro láser en los EE. UU. Utilizan láseres para medir cambios increíblemente pequeños en la distancia entre dos espejos. Los efectos de la mecánica cuántica, la física de partículas individuales o cuantos de energía, juegan un papel importante en el funcionamiento de estos detectores, ya que los láseres miden cambios mil veces más pequeños que el tamaño de un solo protón.
involucrados dos tipos de paquetes de energía cuántica diferentes predichos por Albert Einstein. En 1905, Einstein predijo que la luz viaja a través del espacio en paquetes de energía, que llamamos fotones ; dos años después, el científico predijo que las energías térmica y sonora atraviesan el espacio en otros paquetes de energía: fonones... Si bien los fotones se utilizan ampliamente en la tecnología moderna, los fonones son mucho más sofisticados en este sentido. Los fonones individuales suelen estar inmersos en una gran cantidad de fonones aleatorios: el calor de su propio entorno. En los detectores de ondas gravitacionales , los fonones reducen la sensibilidad de los espejos del detector cuando rebotan en su interior.
Hace cinco años, los físicos se dieron cuenta de que los dispositivos que combinan fonones y fotones podrían resolver el problema de la sensibilidad insuficiente a altas frecuencias . Los científicos han demostrado que los dispositivos, donde la energía se transfiere en paquetes cuánticos, que tienen las propiedades de fonones y fotones, también pueden tener características muy notables.
Estos dispositivos implican un cambio radical en el concepto familiar llamado "amplificación resonante". La amplificación resonante se produce cuando empuja ligeramente un columpio en el patio de recreo: si lo empuja en el momento adecuado, pequeñas sacudidas darán lugar a grandes cambios. Un nuevo dispositivo , llamado WLC, debe amplificar todas las frecuencias por igual. Es como un swing, que se puede empujar en cualquier momento, mientras se logra un gran swing. Sin embargo, nadie ha descubierto todavía cómo fabricar uno de estos dos dispositivos, porque los fonones dentro de dicho dispositivo se sobrecargarán con vibraciones aleatorias que se producen debido al calentamiento.
Soluciones cuánticas
En nuestro trabajo , publicado en Communications Physics , mostramos cómo dos proyectos diferentes en los que los científicos están trabajando hoy pueden aumentar la sensibilidad de los detectores.
- El Instituto Niels Bohr de Copenhague está desarrollando dispositivos llamados cristales fonónicos, en los que las vibraciones térmicas son controladas por una estructura cristalina tallada en una fina membrana.
- El Centro Australiano de Excelencia para Ingeniería de Sistemas Cuánticos también ha demostrado un sistema alternativo en el que los fonones están confinados dentro de una lente de cuarzo ultrapura.
El documento muestra que ambos sistemas satisfacen los requisitos que se requieren para crear una "dispersión negativa" que propague frecuencias de luz en el lado opuesto al patrón de arco iris, dispersión que a su vez se requiere para los WLC. Sumado a la parte posterior de los detectores de ondas gravitacionales existentes, ambos sistemas podrían mejorar la sensibilidad a frecuencias de varios kilohercios en un factor de 40 o más, que es necesario para escuchar el nacimiento de un agujero negro.
¿Que sigue?
Nuestra investigación no resuelve de inmediato el problema de mejorar los detectores gravitacionales. Convertir estos dispositivos en herramientas prácticas presenta enormes desafíos experimentales. Pero el estudio está allanando el camino para un aumento de 40 veces en la sensibilidad de los detectores necesarios para observar el nacimiento de los agujeros negros.
Los astrofísicos han predicho formas complejas de ondas gravitacionales creadas por las convulsiones de estrellas de neutrones a medida que estos gigantes forman agujeros negros.... Estas ondas gravitacionales podrían permitirnos escuchar la física nuclear de una estrella de neutrones moribunda. Por ejemplo, se ha demostrado que estas ondas pueden mostrar claramente si los neutrones siguen siendo neutrones en una estrella o si se desintegran en un mar de quarks , las partículas subatómicas más pequeñas. Si pudiéramos ver cómo los neutrones se convierten en quarks y luego desaparecen en la singularidad de un agujero negro, el proceso observado sería exactamente lo contrario del Big Bang, cuando las partículas que crearon nuestro universo emergieron de la singularidad.