Desde la innovadora detección del Observatorio de ondas gravitacionales del interferómetro láser (LIGO), en 2015, de ondas gravitacionales producidas por un par de agujeros negros en colisión, el observatorio, junto con su centro asociado europeo Virgo, ha detectado docenas de rugidos cósmicos similares que envían ondas a través del espacio y el tiempo.

En el futuro, a medida que se realizan más y más actualizaciones en los observatorios LIGO financiados por la National Science Foundation, uno en Hanford, Washington, y el otro en Livingston, Luisiana:se espera que las instalaciones detecten un número cada vez mayor de estos eventos cósmicos extremos. Estas observaciones ayudarán a resolver misterios fundamentales sobre nuestro universo, como cómo se forman los agujeros negros y cómo se fabrican los ingredientes de nuestro universo.

Un factor importante para aumentar la sensibilidad de los observatorios son los revestimientos de los espejos de vidrio que se encuentran en el corazón de los instrumentos. Cada espejo de 40 kilogramos (88 libras) (hay cuatro en cada detector en los dos observatorios LIGO) está recubierto con materiales reflectantes que esencialmente convierten el vidrio en espejos. Los espejos reflejan rayos láser que son sensibles al paso de ondas gravitacionales.

Generalmente, cuanto más reflectantes son los espejos, cuanto más sensible sea el instrumento, pero hay un problema:los revestimientos que hacen que los espejos sean reflectantes también pueden producir ruido de fondo en el instrumento, ruido que enmascara las señales de interés de ondas gravitacionales.

Ahora, un nuevo estudio del equipo de LIGO describe un nuevo tipo de revestimiento de espejo hecho de óxido de titanio y óxido de germanio, y describe cómo puede reducir el ruido de fondo en los espejos de LIGO en un factor de dos, aumentando así el volumen de espacio que LIGO puede sondear en un factor de ocho.

"Queríamos encontrar un material al borde de lo que es posible hoy, "dice Gabriele Vajente, un científico investigador senior de LIGO en Caltech y autor principal de un artículo sobre el trabajo que aparece en la revista Cartas de revisión física . "Nuestra capacidad para estudiar la escala astronómicamente grande del universo está limitada por lo que sucede en este diminuto espacio microscópico".

"Con estos nuevos revestimientos, esperamos poder aumentar la tasa de detección de ondas gravitacionales de una vez a la semana a una vez al día o más, "dice David Reitze, director ejecutivo del Laboratorio LIGO en Caltech.

La investigación, que pueden tener aplicaciones futuras en los campos de las telecomunicaciones y los semiconductores, fue una colaboración entre Caltech; Universidad Estatal de Colorado; la Universidad de Montreal; y la Universidad de Stanford, cuyo sincrotrón en el Laboratorio Nacional Acelerador SLAC se utilizó en la caracterización de los recubrimientos.

LIGO detecta ondas en el espacio-tiempo utilizando detectores llamados interferómetros. En esta configuración, un potente rayo láser se divide en dos:cada rayo viaja por un brazo de un gran recinto de vacío en forma de L hacia espejos a 4 kilómetros de distancia. Los espejos reflejan los rayos láser de regreso a la fuente de donde se originaron. Cuando pasan las ondas gravitacionales, estirarán y exprimirán el espacio en cantidades casi imperceptibles pero aún detectables (mucho menos que el ancho de un protón). Las perturbaciones cambian la sincronización de la llegada de los dos rayos láser a la fuente.

Cualquier movimiento en los propios espejos, incluso las microscópicas vibraciones térmicas de los átomos en los revestimientos de los espejos, puede afectar la sincronización de la llegada de los rayos láser y dificultar el aislamiento de las señales de ondas gravitacionales.

"Cada vez que la luz pasa entre dos materiales diferentes, una fracción de esa luz se refleja, "dice Vajente." Es lo mismo que pasa en tus ventanas:puedes ver tu débil reflejo en el cristal. Al agregar múltiples capas de diferentes materiales, podemos reforzar cada reflejo y hacer que nuestros espejos reflejen hasta un 99,999 por ciento ".

"Lo importante de este trabajo es que desarrollamos una nueva forma de probar mejor los materiales, ", dice Vajente." Ahora podemos probar las propiedades de un nuevo material en unas ocho horas, completamente automatizado, cuando antes tardó casi una semana. Esto nos permitió explorar la tabla periódica probando muchos materiales diferentes y muchas combinaciones. Algunos de los materiales que probamos no funcionaron, pero esto nos dio una idea de qué propiedades podrían ser importantes ".

En el final, los científicos descubrieron que un material de recubrimiento hecho de una combinación de óxido de titanio y óxido de germanio disipaba la menor cantidad de energía (el equivalente a reducir las vibraciones térmicas).

"Adaptamos el proceso de fabricación para cumplir con las estrictas demandas de calidad óptica y reducción del ruido térmico de los revestimientos de espejos, "dice Carmen Menoni, profesor de la Universidad Estatal de Colorado y miembro de la Colaboración Científica LIGO. Menoni y sus colegas en el estado de Colorado utilizaron un método llamado pulverización catódica con haz de iones para revestir los espejos. En este proceso, los átomos de titanio y germanio se desprenden de una fuente, combinado con oxígeno, y luego se deposita sobre el vidrio para crear capas delgadas de átomos.

El nuevo recubrimiento se puede utilizar para la quinta serie de observación de LIGO, que comenzará a mediados de la década como parte del programa Advanced LIGO Plus. Mientras tanto, Cuarta carrera de observación de LIGO, el último de la campaña Advanced LIGO, Se espera que comience en el verano de 2022.

"Este es un cambio de juego para Advanced LIGO Plus, ", dice Reitze." Y este es un gran ejemplo de cómo LIGO se basa en gran medida en la investigación y el desarrollo de la ciencia de los materiales y la óptica de vanguardia. Este es el mayor avance en el desarrollo de recubrimientos ópticos de precisión para LIGO en los últimos 20 años ".