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| Los investigadores de LIGO en el MIT, Caltech y otros lugares informan de un avance significativo en el estrujamiento cuántico, que les permite medir ondulaciones en el espacio-tiempo en toda la gama de frecuencias gravitacionales detectadas por LIGO. He aquí un vistazo a la tecnología que crea la luz comprimida en la cámara de vacío de LIGO. La imagen se tomó desde una de las mirillas de la cámara en un momento en el que el exprimidor estaba operativo y recibía luz verde. Crédito: Georgia Mansell/LIGO Hanford Observatory |
El Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferómetro Láser (LIGO) es una maravilla científica que ha abierto una nueva ventana al universo. Al detectar ondulaciones en el espacio y el tiempo producidas por fenómenos violentos como la fusión de agujeros negros, LIGO ha revolucionado nuestra comprensión de la gravedad, la materia y la energía. Pero, ¿cómo consigue LIGO una sensibilidad y precisión tan asombrosas en sus mediciones? ¿Y cuáles son los retos y las oportunidades que tiene por delante este innovador observatorio?
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| Vista aérea del detector del Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferómetro Láser (LIGO) en Livingston, Luisiana. LIGO tiene dos detectores: uno en Livingston y otro en Hanaford (Washington). LIGO está financiado por la NSF; Caltech y el MIT concibieron, construyeron y gestionan los laboratorios. Crédito: Laboratorio LIGO |
Uno de los principales obstáculos a los que se enfrenta LIGO es el límite cuántico, una frontera fundamental para la precisión de las mediciones debida a los efectos de la mecánica cuántica. A escalas muy pequeñas, el espacio vacío no está realmente vacío, sino lleno de un tenue crepitar de ruido cuántico, que se manifiesta como fluctuaciones aleatorias en el campo electromagnético. Este ruido interfiere en las mediciones de LIGO y limita la sensibilidad del observatorio.
LIGO funciona utilizando rayos láser para medir los minúsculos cambios en la longitud de dos brazos perpendiculares, cada uno de 4 kilómetros de longitud, causados por el paso de ondas gravitacionales.
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| Si divides la luz en dos componentes perpendiculares y los vuelves a juntar, producirán un patrón de interferencia. Si hay un medio por el que viaja la luz, el patrón de interferencia dependerá de cómo esté orientado tu aparato con respecto a ese movimiento. Crédito: Stigmatella aurantiaca en la Wikipedia en inglés |
Los rayos láser se reflejan en espejos situados en los extremos de los brazos y se recombinan en un detector, donde cualquier diferencia en la longitud de los brazos produce un patrón de interferencia. Sin embargo, el ruido cuántico de la luz láser introduce incertidumbre en la medición, lo que limita la capacidad de LIGO para detectar señales gravitatorias débiles.
Luz exprimida: Una solución cuántica
Para superar este límite cuántico, investigadores de LIGO han desarrollado y aplicado una innovadora tecnología cuántica denominada "luz comprimida". La luz comprimida es un estado especial de la luz en el que el ruido cuántico se reduce en una propiedad (como la amplitud o la fase) a expensas de aumentarlo en otra (como la frecuencia o la polarización). Eligiendo cuidadosamente qué propiedad exprimir y cuál amplificar, LIGO puede reducir el ruido que afecta a su medición y aumentar su sensibilidad.
La luz comprimida se genera haciendo pasar luz láser a través de un cristal no lineal, que modifica las propiedades de la luz según reglas cuánticas. A continuación, la luz comprimida se inyecta en los brazos de LIGO, donde se combina con el haz láser principal y reduce su ruido cuántico. Sin embargo, esta reducción del ruido no es uniforme en todas las frecuencias de las ondas gravitacionales. En el caso de las ondas de baja frecuencia, la compresión de la amplitud de la luz es más eficaz, mientras que en el caso de las ondas de alta frecuencia, la compresión de la fase de la luz es más beneficiosa.
Exprimir en función de la frecuencia: Un avance cuántico
Para lograr una reducción óptima del ruido en todas las frecuencias de las ondas gravitacionales, los investigadores de LIGO han ideado una nueva técnica denominada "compresión dependiente de la frecuencia". Esta técnica permite a LIGO ajustar dinámicamente el ángulo de compresión de la luz en función de la frecuencia de la onda gravitacional entrante. Para ello se utiliza una cavidad óptica de 300 metros de longitud, denominada cavidad de filtro, que actúa como un espejo dependiente de la frecuencia que refleja diferentes ángulos de compresión para distintas frecuencias de luz.
Al aplicar esta técnica, LIGO ha superado el límite cuántico y ha logrado una mejora significativa de su sensibilidad en toda la gama de frecuencias gravitatorias detectadas por LIGO. Esto significa que ahora LIGO puede sondear un mayor volumen del universo y detectar más eventos de ondas gravitacionales que antes. Esto aumenta enormemente la capacidad de LIGO para estudiar los fenómenos exóticos que sacuden el espacio y el tiempo.
Fuentes, créditos y referencias: