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Desde que el Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferómetro Láser (LIGO) detectó, en 2015, ondas gravitacionales producidas por un par de agujeros negros en colisión, el observatorio, junto con su instalación asociada europea Virgo, ha detectado docenas de estruendos cósmicos similares que envían ondas a través del espacio y el tiempo.
En el futuro, a medida que se realicen más y más mejoras en los observatorios LIGO, se espera que las instalaciones detecten un número cada vez mayor de estos eventos cósmicos extremos. Estas observaciones ayudarán a resolver misterios fundamentales sobre nuestro universo, como por ejemplo cómo se forman los agujeros negros y cómo se fabrican los ingredientes de nuestro universo.
Un factor importante para aumentar la sensibilidad de los observatorios son los revestimientos de los espejos de cristal que constituyen el núcleo de los instrumentos. Cada espejo de 40 kilos (hay cuatro en cada detector de los dos observatorios LIGO) está recubierto con materiales reflectantes que básicamente convierten el vidrio en espejos. Los espejos reflejan los rayos láser que son sensibles al paso de las ondas gravitacionales.
Por lo general, cuanto más reflectantes sean los espejos, más sensible será el instrumento, pero hay una trampa: Los revestimientos que hacen que los espejos sean reflectantes también pueden generar ruido de fondo en el instrumento, un ruido que enmascara las señales de ondas gravitacionales de interés.
Ahora, un nuevo estudio del equipo de LIGO describe un nuevo tipo de revestimiento para espejos hecho de óxido de titanio y óxido de germanio, y describe cómo puede reducir el ruido de fondo en los espejos de LIGO por un factor de dos, aumentando así el volumen de espacio que LIGO puede sondear por un factor de ocho.
"Queríamos encontrar un material que estuviera en el límite de lo que es posible hoy en día", dice Gabriele Vajente, científico investigador principal de LIGO en Caltech y autor principal de un artículo sobre el trabajo que aparece en la revista Physical Review Letters. "Nuestra capacidad para estudiar la escala astronómica del universo está limitada por lo que ocurre en este espacio microscópico tan diminuto".
"Con estos nuevos recubrimientos, esperamos poder aumentar la tasa de detección de ondas gravitacionales de una vez a la semana a una vez al día o más", afirma David Reitze, director ejecutivo del Laboratorio LIGO en Caltech.
LIGO detecta ondulaciones en el espacio-tiempo mediante unos detectores llamados interferómetros. En esta configuración, un potente rayo láser se divide en dos: Cada haz viaja por un brazo de una gran caja de vacío en forma de L hacia unos espejos situados a 4 kilómetros de distancia. Los espejos reflejan los rayos láser de vuelta a la fuente de la que proceden. Cuando las ondas gravitacionales pasan, estiran y comprimen el espacio en cantidades casi imperceptibles y, sin embargo, detectables (mucho menos que el ancho de un protón). Las perturbaciones cambian el momento de la llegada de los dos rayos láser a la fuente.
Cualquier sacudida en los propios espejos -incluso las microscópicas vibraciones térmicas de los átomos en los revestimientos de los espejos- puede afectar a la sincronización de la llegada de los rayos láser y dificultar el aislamiento de las señales de ondas gravitacionales.
"Cada vez que la luz pasa entre dos materiales diferentes, una fracción de esa luz se refleja", dice Vajente. "Esto es lo mismo que ocurre en tus ventanas: Puedes ver su débil reflejo en el cristal. Al añadir varias capas de materiales diferentes, podemos reforzar cada reflejo y hacer que nuestros espejos sean hasta un 99,999% reflectantes."
"Lo importante de este trabajo es que hemos desarrollado una nueva forma de probar mejor los materiales", dice Vajente. "Ahora podemos probar las propiedades de un nuevo material en unas ocho horas, de forma totalmente automatizada, cuando antes tardábamos casi una semana. Esto nos permitió explorar la tabla periódica probando muchos materiales diferentes y muchas combinaciones. Algunos de los materiales que probamos no funcionaron, pero esto nos permitió saber qué propiedades podrían ser importantes".
Al final, los científicos descubrieron que un material de revestimiento hecho de una combinación de óxido de titanio y óxido de germanio era el que menos energía disipaba (el equivalente a la reducción de las vibraciones térmicas).
"Adaptamos el proceso de fabricación para cumplir las estrictas exigencias de calidad óptica y reducción del ruido térmico de los revestimientos de los espejos", afirma Carmen Menoni, profesora de la Universidad Estatal de Colorado y miembro de la Colaboración Científica LIGO. Menoni y sus colegas de la Universidad Estatal de Colorado utilizaron un método llamado pulverización de haces de iones para recubrir los espejos. En este proceso, los átomos de titanio y germanio se desprenden de una fuente, se combinan con oxígeno y se depositan sobre el vidrio para crear finas capas de átomos.
El nuevo recubrimiento podría utilizarse para la quinta ronda de observación de LIGO, que comenzará a mediados de la década como parte del programa Advanced LIGO Plus. Mientras tanto, se espera que la cuarta ronda de observación de LIGO, la última de la campaña Advanced LIGO, comience en el verano de 2022.
Fuentes, créditos y referencias:
Gabriele Vajente et al, Low Mechanical Loss TiO2:GeO2 Coatings for Reduced Thermal Noise in Gravitational Wave Interferometers, Physical Review Letters (2021). DOI: 10.1103/PhysRevLett.127.071101
Imagen: Los materiales de recubrimiento de LIGO que se van a probar se depositan en finos discos de vidrio, mucho más pequeños que los espejos de LIGO. El color rosado de la foto se debe a la fina capa de óxido metálico depositada en la superficie. Crédito: Caltech