Hubo mucha emoción el año pasado cuando la colaboración LIGO detectó ondas gravitacionales, que son ondas en el tejido del espacio mismo. Y no es de extrañar, fue uno de los descubrimientos más importantes del siglo. Midiendo ondas gravitacionales de procesos astrofísicos intensos como la fusión de agujeros negros, el experimento abre una forma completamente nueva de observar y comprender el universo.

Pero existen límites a lo que puede hacer LIGO. Si bien existen ondas gravitacionales con una gran variedad de frecuencias, LIGO solo puede detectar aquellos dentro de un cierto rango. En particular, no hay forma de medir el tipo de ondas gravitacionales de alta frecuencia que se generaron en el propio Big Bang. Atrapar tales ondas revolucionaría la cosmología, brindándonos información crucial sobre cómo surgió el universo. Nuestra investigación presenta un modelo que quizás algún día lo permita.

En la teoría de la relatividad general desarrollada por Einstein, la masa de un objeto curva el espacio y el tiempo - cuanta más masa, la más curvatura. Esto es similar a cómo una persona estira la tela de un trampolín al pisarlo. Si la persona comienza a moverse hacia arriba y hacia abajo, esto generaría ondulaciones en el tejido que se desplazarán hacia afuera desde la posición de la persona. La velocidad a la que la persona salta determinará la frecuencia de las ondas generadas en la tela.

Un rastro importante del Big Bang es el fondo cósmico de microondas. Esta es la radiación que quedó del nacimiento del universo, creado alrededor de 300, 000 años después del Big Bang. Pero el nacimiento de nuestro universo también creó ondas gravitacionales, y estas se habrían originado solo una fracción de segundo después del evento. Debido a que estas ondas gravitacionales contienen información invaluable sobre el origen del universo, hay mucho interés en detectarlos. Las ondas con las frecuencias más altas pueden haberse originado durante las transiciones de fase del universo primitivo o por vibraciones y chasquidos de cuerdas cósmicas.

Un destello instantáneo de brillo

Nuestro equipo de investigación, de las universidades de Aberdeen y Leeds, piensan que los átomos pueden tener una ventaja en la detección de escurridizos, ondas gravitacionales de alta frecuencia. Hemos calculado que un grupo de átomos "muy excitados" (llamados átomos de Rydberg, en los que los electrones han sido expulsados ​​lejos del núcleo del átomo, haciéndolo enorme, emitirá un pulso de luz brillante cuando sea golpeado por una onda gravitacional.

Para excitar a los átomos, les hacemos brillar una luz. Cada uno de estos átomos agrandados suele ser muy frágil y la más mínima perturbación los hará colapsar, liberando la luz absorbida. Sin embargo, la interacción con una onda gravitacional puede ser demasiado débil, y su efecto quedará enmascarado por las numerosas interacciones, como las colisiones con otros átomos o partículas.

En lugar de analizar la interacción con átomos individuales, modelamos el comportamiento colectivo de un gran grupo de átomos empaquetados. Si el grupo de átomos está expuesto a un campo común, como nuestro campo gravitacional oscilante, esto inducirá la desintegración de los átomos excitados al mismo tiempo. Los átomos liberarán una gran cantidad de fotones (partículas de luz), generando un intenso pulso de luz, apodado "superradiancia".

Como los átomos de Rydberg sometidos a una onda gravitacional se superradiarán como resultado de la interacción, podemos suponer que una onda gravitacional ha atravesado el conjunto atómico siempre que vemos un pulso de luz.

Al cambiar el tamaño de los átomos, podemos hacerlos irradiar a diferentes frecuencias de la onda gravitacional. Esto puede resultar útil para la detección en diferentes rangos. Usando el tipo adecuado de átomos, y en condiciones ideales, Podría ser posible utilizar esta técnica para medir las ondas gravitacionales reliquia del nacimiento del universo. Analizando la señal de los átomos es posible determinar las propiedades, y por tanto el origen, de las ondas gravitacionales.

Puede haber algunos desafíos para esta técnica experimental:el principal es conseguir que los átomos estén en un estado muy excitado. Otro es tener suficientes átomos, ya que son tan grandes que se vuelven muy difíciles de contener.

¿Una teoría de todo?

Más allá de la posibilidad de estudiar las ondas gravitacionales desde el nacimiento del universo, el objetivo final de la investigación es detectar las fluctuaciones gravitacionales del propio espacio vacío:el vacío. Estas son variaciones gravitacionales extremadamente débiles que ocurren espontáneamente en la escala más pequeña, apareciendo fuera de

Descubrir tales ondas podría conducir a la unificación de la relatividad general y la mecánica cuántica, uno de los mayores desafíos de la física moderna. La relatividad general no tiene paralelo cuando se trata de describir el mundo a gran escala, como planetas y galaxias, mientras que la mecánica cuántica describe perfectamente la física en la escala más pequeña, como el átomo o incluso partes del átomo. Pero calcular el impacto gravitacional de las partículas más pequeñas ayudará a salvar esta división.

Pero descubrir las ondas asociadas con tales fluctuaciones cuánticas requeriría una gran cantidad de átomos preparados con una enorme cantidad de energía, que puede no ser posible hacer en el laboratorio. En lugar de hacer esto, podría ser posible utilizar átomos de Rydberg en el espacio exterior. Enormes nubes de estos átomos existen alrededor de enanas blancas, estrellas que se han quedado sin combustible, y dentro de nebulosas con tamaños más de cuatro veces más grandes que cualquier cosa que se pueda crear en la Tierra. La radiación proveniente de estas fuentes podría contener la firma de las fluctuaciones gravitacionales del vacío, esperando ser desvelado.

Este artículo se publicó originalmente en The Conversation. Lea el artículo original.