Hace apenas un año el Observatorio de ondas gravitacionales del interferómetro láser financiado por la National Science Foundation, o LIGO, estaba captando susurros de ondas gravitacionales aproximadamente cada mes. Ahora, Una nueva incorporación al sistema permite que los instrumentos detecten estas ondas en el espacio-tiempo casi todas las semanas.

Desde el inicio de la tercera ejecución operativa de LIGO en abril, un nuevo instrumento conocido como exprimidor de vacío cuántico ha ayudado a los científicos a detectar docenas de señales de ondas gravitacionales, incluida una que parece haber sido generada por una estrella de neutrones binaria:la fusión explosiva de dos estrellas de neutrones.

El exprimidor como lo llaman los científicos, fue diseñado, construido, e integrado con los detectores de LIGO por investigadores del MIT, junto con colaboradores de Caltech y la Universidad Nacional de Australia, quien detalla su funcionamiento en un artículo publicado en la revista Cartas de revisión física .

Lo que el instrumento "aprieta" es ruido cuántico:fluctuaciones infinitesimalmente pequeñas en el vacío del espacio que llegan a los detectores. Las señales que detecta LIGO son tan pequeñas que estos cuánticos, De lo contrario, las fluctuaciones menores pueden tener un efecto contaminante. potencialmente enturbiando o enmascarando completamente las señales entrantes de ondas gravitacionales.

"Donde entra la mecánica cuántica se relaciona con el hecho de que el láser de LIGO está hecho de fotones, "explica la autora principal, Maggie Tse, estudiante de posgrado en el MIT. "En lugar de un flujo continuo de luz láser, si miras lo suficientemente cerca, en realidad es un desfile ruidoso de fotones individuales, cada uno bajo la influencia de las fluctuaciones del vacío. Mientras que una corriente continua de luz crearía un zumbido constante en el detector, cada uno de los fotones individuales llega al detector con un pequeño 'pop' ".

"Este ruido cuántico es como un crujido de palomitas de maíz en el fondo que se cuela en nuestro interferómetro, y es muy difícil de medir, "añade Nergis Mavalvala, el profesor de mármol de astrofísica y jefe asociado del Departamento de Física del MIT.

Con la nueva tecnología de exprimidor, LIGO ha reducido este desconcertante crujido cuántico, ampliando el alcance de los detectores en un 15 por ciento. Combinado con un aumento en la potencia del láser de LIGO, esto significa que los detectores pueden detectar una onda gravitacional generada por una fuente en el universo hasta unos 140 megaparsecs, o más de 400 millones de años luz de distancia. Este rango extendido ha permitido a LIGO detectar ondas gravitacionales casi semanalmente.

"Cuando aumenta la tasa de detección, no solo comprendemos más sobre las fuentes que conocemos, porque tenemos más para estudiar, pero entra nuestro potencial para descubrir cosas desconocidas, "dice Mavalvala, miembro desde hace mucho tiempo del equipo científico de LIGO. "Estamos lanzando una red más amplia".

Los autores principales del nuevo artículo son los estudiantes graduados Maggie Tse y Haocun Yu, y Lisa Barsotti, científico investigador principal del Instituto Kavli de Astrofísica e Investigación Espacial del MIT, junto con otros en la Colaboración Científica LIGO.

Límite cuántico

LIGO consta de dos detectores idénticos, uno ubicado en Hanford, Washington, y el otro en Livingston, Luisiana. Cada detector consta de dos túneles de 4 kilómetros de largo, o brazos, cada uno se extiende desde el otro en forma de "L".

Para detectar una onda gravitacional, Los científicos envían un rayo láser desde la esquina del detector en forma de L, por cada brazo, al final del cual se suspende un espejo. Cada láser rebota en su espejo respectivo y viaja hacia abajo por cada brazo hasta donde comenzó. Si una onda gravitacional pasa a través del detector, debe cambiar la posición de uno o ambos espejos, lo que a su vez afectaría la sincronización de la llegada de cada láser a su origen. Este tiempo es algo que los científicos pueden medir para identificar una señal de onda gravitacional.

La principal fuente de incertidumbre en las mediciones de LIGO proviene del ruido cuántico en el vacío circundante de un láser. Mientras que un vacío se suele considerar como una nada, o vacío en el espacio, Los físicos lo entienden como un estado en el que las partículas subatómicas (en este caso, fotones) se crean y destruyen constantemente, aparecen y luego desaparecen tan rápidamente que son extremadamente difíciles de detectar. Tanto el tiempo de llegada (fase) como el número (amplitud) de estos fotones son igualmente desconocidos, e igualmente incierto, lo que dificulta a los científicos distinguir señales de ondas gravitacionales del fondo resultante del ruido cuántico.

Y todavía, este crujido cuántico es constante, y como LIGO busca detectar más lejos, señales más débiles, este ruido cuántico se ha convertido en un factor más limitante.

"La medición que estamos haciendo es tan sensible que el vacío cuántico importa, "Notas Barsotti.

Apretar el ruido "espeluznante"

El equipo de investigación del MIT comenzó hace más de 15 años a diseñar un dispositivo para reducir la incertidumbre en el ruido cuántico. para revelar señales de ondas gravitacionales más débiles y distantes que de otro modo quedarían enterradas por el ruido cuántico.

La compresión cuántica fue una teoría que se propuso por primera vez en la década de 1980, la idea general es que el ruido de vacío cuántico se puede representar como una esfera de incertidumbre a lo largo de dos ejes principales:fase y amplitud. Si esta esfera fuera apretada, como una pelota antiestrés, de una manera que constriñe la esfera a lo largo del eje de amplitud, esto, en efecto, reduciría la incertidumbre en el estado de amplitud de un vacío (la parte comprimida de la bola de tensión), mientras aumenta la incertidumbre en el estado de fase (la bola de tensión está desplazada, porción distendida). Dado que es predominantemente la incertidumbre de fase la que contribuye al ruido a LIGO, reducirlo podría hacer que el detector sea más sensible a las señales astrofísicas.

Cuando la teoría se propuso por primera vez hace casi 40 años, un puñado de grupos de investigación intentó construir instrumentos de compresión cuántica en el laboratorio.

"Después de estas primeras demostraciones, se quedó en silencio, "Dice Mavalvala.

"El desafío con los exprimidores de edificios es que el estado de vacío comprimido es muy frágil y delicado, "Tse agrega." Obtener la pelota exprimida, en una pieza, desde donde se genera hasta donde se mide es sorprendentemente difícil. Cualquier paso en falso y la pelota puede rebotar de regreso a su estado sin apretar ".

Luego, alrededor de 2002, justo cuando los detectores de LIGO comenzaron a buscar ondas gravitacionales, Los investigadores del MIT comenzaron a pensar en la compresión cuántica como una forma de reducir el ruido que posiblemente podría enmascarar una señal de onda gravitacional increíblemente débil. Desarrollaron un diseño preliminar para un exprimidor de vacío, que probaron en 2010 en el sitio de Hanford de LIGO. El resultado fue alentador:el instrumento logró aumentar la relación señal / ruido de LIGO, la fuerza de una señal prometedora frente al ruido de fondo.

Desde entonces, el equipo, dirigido por Tse y Barsotti, ha refinado su diseño, y exprimidores integrados en ambos detectores LIGO. El corazón del exprimidor es un oscilador paramétrico óptico, u OPO:un dispositivo con forma de pajarita que sostiene un pequeño cristal dentro de una configuración de espejos. Cuando los investigadores dirigen un rayo láser al cristal, Los átomos del cristal facilitan las interacciones entre el láser y el vacío cuántico de una manera que reordena sus propiedades de fase versus amplitud. creando un nuevo, Vacío "apretado" que luego continúa por cada brazo del detector como lo haría normalmente. Este vacío comprimido tiene fluctuaciones de fase más pequeñas que un vacío ordinario, permitiendo a los científicos detectar mejor las ondas gravitacionales.

Además de aumentar la capacidad de LIGO para detectar ondas gravitacionales, El nuevo exprimidor cuántico también puede ayudar a los científicos a extraer mejor información sobre las fuentes que producen estas ondas.

"Tenemos este espeluznante vacío cuántico que podemos manipular sin violar realmente las leyes de la naturaleza, y luego podemos realizar una medición mejorada, "Dice Mavalvala." Nos dice que a veces podemos dar una vuelta por la naturaleza. No siempre, pero a veces."