Se ha descubierto que las ondas gravitacionales creadas por los agujeros negros o las estrellas de neutrones en las profundidades del espacio llegan a la Tierra. Sus efectos, sin embargo, son tan pequeños que solo pueden observarse utilizando instalaciones de medición de un kilómetro de longitud. Por lo tanto, los físicos están discutiendo si los condensados ​​de Bose-Einstein ultrafríos y minúsculos con sus propiedades cuánticas ordenadas también podrían detectar estas ondas. El profesor Ralf Schützhold de Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) y TU Dresden ha estudiado la base de estas sugerencias y escribe en la revista Revisión física D que tal evidencia está mucho más allá del alcance de los métodos actuales.

Ya en 1916, Albert Einstein envió un artículo a la Academia de Ciencias de Prusia en el que demostró que masas en movimiento como las estrellas gigantes que orbitan entre sí dejan una abolladura en el espacio y el tiempo. que se propaga a la velocidad de la luz. Estas abolladuras se conocen como ondas gravitacionales, y debe moverse con precisión como ondas de radio, luz y otras ondas electromagnéticas. Los efectos de las ondas gravitacionales, sin embargo, son normalmente tan débiles que Einstein estaba convencido de que nunca podrían medirse.

La razón de este escepticismo es que las ondas gravitacionales son débiles. Por ejemplo, incluso la masa bastante grande de la Tierra, que orbita el sol a casi 30 kilómetros por segundo, produce ondas gravitacionales con una potencia de apenas trescientos vatios. Eso ni siquiera sería suficiente para alimentar una aspiradora comercial con una etiqueta Energy Star. Por tanto, la influencia de estas ondas gravitacionales es imperceptible.

Cuando los agujeros negros se fusionan

La situación mejora cuando se trata de masas considerablemente mayores. Cuando dos enormes agujeros negros se fusionaron a una distancia de 1.300 millones de años luz de la Tierra, de los cuales uno poseía la masa de aproximadamente 36 soles y el otro una masa de 29 soles, el espacio y el tiempo temblaron. Durante esta fusión, una masa que medía tres veces la de nuestro sol transformada en una gigantesca onda gravitacional, cuyos restos llegaron a la Tierra 1.300 millones de años después, el 14 de septiembre, 2015, a las 11:51 a.m., hora de Europa Central. Debido a que las ondas se propagan en todas direcciones a distancias tan enormes y se extienden a un espacio inimaginablemente grande, su poder se redujo enormemente.

En la tierra, solo se recibió una señal extremadamente débil, que se registró utilizando dos tubos de vacío perpendiculares de cuatro kilómetros de largo en los Estados Unidos. Dos rayos láser especiales se disparan hacia adelante y hacia atrás entre los puntos finales de estas instalaciones. Desde el tiempo necesario para que un haz de luz llegue al otro extremo, los investigadores pueden calcular con mucha precisión la distancia entre los dos puntos. "Cuando las ondas gravitacionales llegaron a la Tierra, acortaron una de las dos distancias de medición en una pequeña fracción de una billonésima de milímetro en ambas instalaciones, mientras que el otro tramo perpendicular se extendió en una cantidad similar, "dice el investigador de HZDR Ralf Schützhold, resumiendo los resultados de sus colegas. Por lo tanto, el 11 de febrero, 2016, tras un análisis detallado de los datos, los investigadores informaron de la primera detección directa de las ondas gravitacionales predichas por Albert Einstein. Tres de los investigadores que contribuyeron fueron galardonados con el Premio Nobel de Física en 2017.

Átomos en sincronización

Los astrofísicos ahora pueden usar estas ondas para observar eventos masivos en el espacio, como fusiones de agujeros negros o supernovas. Los físicos ahora se preguntan si es posible construir instalaciones que sean más fáciles de manejar que los tubos de vacío perpendiculares de cuatro kilómetros de largo. Algunos sugieren usar condensados ​​de Bose-Einstein, una forma de materia que Satyendranath Bose y Albert Einstein predijeron en 1924. "Se puede pensar en tales condensados ​​como vapor muy diluido de átomos individuales que se enfrían al extremo y, por lo tanto, se condensan, ", explica Schützhold. Investigadores en los Estados Unidos crearon un condensado de Bose-Einstein en 1995.

A temperaturas extremadamente bajas, solo muy ligeramente por encima del cero absoluto de menos 273,15 grados Celsius, la mayoría de los átomos de metales como el rubidio existen en el mismo estado cuántico, formando una mezcolanza caótica como vapor a temperaturas más altas. "Similar a las partículas de luz láser, los átomos de estos condensados ​​de Bose-Einstein se mueven, por así decirlo, en sincronizacion, "dice Schützhold. Ondas gravitacionales, sin embargo, puede cambiar las partículas de sonido o los cuantos de sonido, que los físicos llaman fonones, dentro de los condensados ​​de átomos sincronizados. "Esto es un poco similar a una gran tina de agua en la que las ondas generadas por un terremoto cambian las ondas de agua existentes, "dice Ralf Schützhold, describiendo el proceso.

Poca evidencia es muy poca

Sin embargo, cuando el jefe del Departamento de Física Teórica de HZDR echó un vistazo más de cerca a los fundamentos de este fenómeno, comprobó que tales condensados ​​de Bose-Einstein tenían que ser varios órdenes de magnitud más grandes de lo que es posible actualmente para detectar ondas gravitacionales que emanan de la fusión de agujeros negros. "Hoy dia, Bose-Einstein se condensa con, por ejemplo, Se obtienen 1 millón de átomos de rubidio con gran esfuerzo, pero se necesitaría mucho más de un millón de veces esa cantidad de átomos para detectar ondas gravitacionales, "dice Schützhold. Sin embargo, se forma una especie de vórtice dentro de un condensado de Bose-Einstein en el que las ondas gravitacionales generan directamente fonones que son más fácilmente observables. "Pero incluso con condensados ​​de Bose-Einstein tan heterogéneos, todavía estamos en órdenes de magnitud para detectar ondas gravitacionales, "dice el físico.

No obstante, el investigador del HZDR proporciona una pista sobre una posible prueba:si el helio de gas noble se enfría a menos de dos grados por encima del cero absoluto, se forma un líquido superfluido que no es un condensado puro de Bose-Einstein, pero contiene poco menos del 10 por ciento de esos átomos de helio sincronizados. Debido a que se pueden producir cantidades mucho mayores de este helio superfluido, De esta manera se pueden crear muchos órdenes de magnitud más de átomos de condensado de Bose-Einstein que con la producción directa. "Si el helio superfluido es realmente una forma de detectar ondas gravitacionales solo se puede demostrar con cálculos extremadamente complejos, ", dice Schützhold. Por lo tanto, los mini-detectores de ondas gravitacionales todavía se encuentran en el futuro.