En 2017, Los astrónomos presenciaron el nacimiento de un agujero negro por primera vez. Los detectores de ondas gravitacionales recogieron las ondas en el espacio-tiempo causadas por la colisión de dos estrellas de neutrones para formar el agujero negro. y otros telescopios luego observaron la explosión resultante.

Pero el verdadero meollo de cómo se formó el agujero negro, los movimientos de la materia en los instantes antes de que fuera sellada dentro del horizonte de eventos del agujero negro, pasó desapercibido. Eso es porque las ondas gravitacionales lanzadas en estos momentos finales tenían una frecuencia tan alta que nuestros detectores actuales no pueden detectarlas.

Si pudieras observar la materia ordinaria mientras se convierte en un agujero negro, verías algo similar al Big Bang reproducido al revés. Los científicos que diseñan detectores de ondas gravitacionales han trabajado arduamente para descubrir cómo mejorar nuestros detectores para hacerlo posible.

Hoy nuestro equipo publica un artículo que muestra cómo se puede hacer esto. Nuestra propuesta podría hacer que los detectores sean 40 veces más sensibles a las altas frecuencias que necesitamos, permitiendo a los astrónomos escuchar la materia mientras forma un agujero negro.

Implica la creación de nuevos y extraños paquetes de energía (o "cuantos") que son una mezcla de dos tipos de vibraciones cuánticas. Los dispositivos basados ​​en esta tecnología podrían agregarse a los detectores de ondas gravitacionales existentes para obtener la sensibilidad adicional necesaria.

Problemas cuánticos

Los detectores de ondas gravitacionales, como el Observatorio de ondas gravitacionales con interferómetro láser (LIGO) en los Estados Unidos, utilizan láseres para medir cambios increíblemente pequeños en la distancia entre dos espejos. Porque miden cambios 1, 000 veces más pequeño que el tamaño de un solo protón, los efectos de la mecánica cuántica, la física de partículas individuales o cuantos de energía, juegan un papel importante en la forma en que funcionan estos detectores.

Están involucrados dos tipos diferentes de paquetes cuánticos de energía, ambos predichos por Albert Einstein. En 1905 predijo que la luz viene en paquetes de energía que llamamos fotones ; dos años después, predijo que el calor y la energía sonora vienen en paquetes de energía llamados fonones .

Los fotones se utilizan ampliamente en la tecnología moderna, pero los fonones son mucho más complicados de utilizar. Los fonones individuales suelen estar inundados por una gran cantidad de fonones aleatorios que son el calor de su entorno. En detectores de ondas gravitacionales, los fonones rebotan dentro de los espejos del detector, degradando su sensibilidad.

Hace cinco años, los físicos se dieron cuenta de que se podía resolver el problema de la sensibilidad insuficiente a alta frecuencia con dispositivos que combinar fonones con fotones. Demostraron que los dispositivos en los que se transporta energía en paquetes cuánticos que comparten las propiedades tanto de los fonones como de los fotones pueden tener propiedades bastante notables.

Estos dispositivos implicarían un cambio radical a un concepto familiar llamado "amplificación resonante". La amplificación resonante es lo que hace cuando empuja un columpio en el patio de recreo:si empuja en el momento adecuado, todos tus pequeños empujones crean un gran balanceo.

El nuevo dispositivo, llamada "cavidad de luz blanca", amplificaría todas las frecuencias por igual. Esto es como un swing que podrías empujar en cualquier momento y aún así terminar con grandes resultados.

Sin embargo, nadie ha descubierto todavía cómo fabricar uno de estos dispositivos, porque los fonones en su interior serían abrumados por vibraciones aleatorias causadas por el calor.

Soluciones cuánticas

En nuestro periódico, publicado en Física de las comunicaciones , mostramos cómo dos proyectos diferentes actualmente en curso podrían hacer el trabajo.

El Instituto Niels Bohr de Copenhague ha estado desarrollando dispositivos llamados cristales fonónicos, en el que las vibraciones térmicas son controladas por una estructura cristalina cortada en una fina membrana. El Centro Australiano de Excelencia para Sistemas de Ingeniería Cuántica también ha demostrado un sistema alternativo en el que los fonones quedan atrapados dentro de una lente de cuarzo ultrapura.

Mostramos que ambos sistemas satisfacen los requisitos para crear la "dispersión negativa", que difunde las frecuencias de luz en un patrón de arco iris inverso, necesaria para las cavidades de luz blanca.

Ambos sistemas, cuando se agrega a la parte posterior de los detectores de ondas gravitacionales existentes, mejoraría la sensibilidad a frecuencias de unos pocos kilohercios en las 40 veces o más necesarias para escuchar el nacimiento de un agujero negro.

¿Que sigue?

Nuestra investigación no representa una solución instantánea para mejorar los detectores de ondas gravitacionales. Existen enormes desafíos experimentales para convertir estos dispositivos en herramientas prácticas. Pero ofrece una ruta hacia la mejora de 40 veces de los detectores de ondas gravitacionales necesarios para observar los nacimientos de agujeros negros.

Los astrofísicos han predicho formas de ondas gravitacionales complejas creadas por las convulsiones de las estrellas de neutrones cuando forman agujeros negros. Estas ondas gravitacionales podrían permitirnos escuchar la física nuclear de una estrella de neutrones en colapso.

Por ejemplo, Se ha demostrado que pueden revelar claramente si los neutrones de la estrella permanecen como neutrones o si se rompen en un mar de quarks. las partículas subatómicas más pequeñas de todas. Si pudiéramos observar neutrones convirtiéndose en quarks y luego desapareciendo en la singularidad del agujero negro, sería el reverso exacto del Big Bang donde, fuera de la singularidad, emergieron las partículas que pasaron a crear nuestro universo.

Este artículo se ha vuelto a publicar de The Conversation con una licencia de Creative Commons. Lea el artículo original.