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| Esta ilustración muestra la fusión de dos agujeros negros y las ondas gravitacionales que ondulan hacia fuera cuando los agujeros negros se acercan en espiral. Crédito: LIGO/T. Pyle |
Los investigadores del Centro de Excelencia para la Física de Partículas de la Materia Oscura (CDM) de la ARC y la Universidad de Australia Occidental han construido un innovador detector que pretende utilizar el cuarzo para captar ondas gravitacionales de alta frecuencia.
En sus primeros 153 días de funcionamiento, se han detectado dos eventos que, en principio, podrían ser ondas gravitacionales de alta frecuencia, que no han sido registradas por los científicos anteriormente.
Estas ondas gravitacionales de alta frecuencia podrían haber sido creadas por un agujero negro primordial o una nube de partículas de materia oscura.
Los resultados se han publicado este mes en la revista American Physical Society APS Physics en un artículo titulado "Rare Events Detected with a Bulk Acoustic Wave High Frequency Gravitational Wave Antenna".
Las ondas gravitacionales fueron predichas originalmente por Albert Einstein, quien teorizó que el movimiento de los objetos astronómicos podría causar ondas de curvatura del espacio-tiempo que se enviarían ondulando a través del universo, casi como las ondas causadas por las piedras arrojadas en un estanque plano. Esta predicción se demostró en 2015 con la primera detección de una señal de ondas gravitacionales.
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| Antena de ondas acústicas de alta frecuencia para ondas gravitacionales. Crédito: Universidad de Australia Occidental |
Los científicos creen que las ondas gravitacionales de baja frecuencia son causadas por dos agujeros negros que giran y se fusionan entre sí o por una estrella que desaparece en un agujero negro.
Desde entonces, se ha iniciado una nueva era en la investigación de las ondas gravitacionales, pero la actual generación de detectores activos se caracteriza por una gran sensibilidad sólo a las señales de baja frecuencia; la detección de las ondas gravitacionales de alta frecuencia sigue siendo un frente inexplorado y extremadamente difícil en la astronomía.
A pesar de que la mayor parte de la atención se dedica a las ondas gravitacionales de baja frecuencia, existe un número importante de propuestas teóricas sobre fuentes de ondas gravitacionales de alta frecuencia, por ejemplo, agujeros negros primordiales.
El nuevo detector diseñado por el equipo de investigación del CDM para captar las ondas gravitacionales de alta frecuencia está construido en torno a un resonador de ondas acústicas en masa (BAW) de cristal de cuarzo. El corazón de este dispositivo es un disco de cristal de cuarzo que puede vibrar a altas frecuencias debido a las ondas acústicas que viajan a través de su espesor. Estas ondas inducen entonces una carga eléctrica a través del dispositivo, que puede detectarse colocando placas conductoras en las superficies exteriores del disco de cuarzo.
El dispositivo BAW se conectó a un dispositivo superconductor de interferencia cuántica, conocido como SQUID, que actúa como un amplificador extremadamente sensible para la señal de baja tensión procedente del BAW de cuarzo. Este conjunto se colocó en múltiples escudos antirradiación para protegerlo de los campos electromagnéticos parásitos y se enfrió a baja temperatura para permitir que las vibraciones acústicas de baja energía del cristal de cuarzo se detectaran como grandes voltajes con la ayuda del amplificador SQUID.
El equipo, formado por el Dr. Maxim Goryachev, el profesor Michael Tobar, William Campbell, Ik Siong Heng, Serge Galliou y el profesor Eugene Ivanov, trabajará ahora para determinar la naturaleza de la señal, lo que podría confirmar la detección de ondas gravitacionales de alta frecuencia.
El profesor Tobar dijo que una onda gravitacional era sólo un posible candidato detectado, pero otras explicaciones del resultado podrían ser la presencia de partículas de carga o la acumulación de tensión mecánica, un evento meteorológico o un proceso atómico interno. También podría deberse a que un candidato a materia oscura de gran masa interactuara con el detector.
"Es emocionante que este evento haya demostrado que el nuevo detector es sensible y nos da resultados, pero ahora tenemos que determinar exactamente qué significan esos resultados", dijo el profesor Tobar.
"Con este trabajo, hemos demostrado por primera vez que estos dispositivos pueden utilizarse como detectores de ondas gravitacionales de alta sensibilidad".
"Este experimento es uno de los dos únicos actualmente activos en el mundo que buscan ondas gravitacionales de alta frecuencia en estas frecuencias y tenemos planes para ampliar nuestro alcance a frecuencias aún más altas, donde ningún otro experimento ha mirado antes.
"El desarrollo de esta tecnología podría proporcionar potencialmente la primera detección de ondas gravitacionales a estas altas frecuencias, dándonos una nueva visión en esta área de la astronomía de ondas gravitacionales.
"La próxima generación del experimento implicará la construcción de un clon del detector y un detector de muones sensible a las partículas cósmicas. Si los dos detectores detectan la presencia de ondas gravitacionales, será realmente emocionante".
Fuentes, créditos y referencias:
“Rare Events Detected with a Bulk Acoustic Wave High Frequency
Gravitational Wave Antenna” by Maxim Goryachev, William M. Campbell, Ik
Siong Heng, Serge Galliou, Eugene N. Ivanov and Michael E. Tobar, 12
August 2021, APS Physics.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.127.071102