LIVINGSTON, La. - Aproximadamente a una milla y media de un edificio tan grande que puedes verlo desde el espacio, todos los autos en la carretera se detienen lentamente. Los conductores saben que deben tomarse muy en serio el límite de velocidad de 10 mph (16 km / h): eso se debe a que el edificio alberga un detector masivo que busca vibraciones celestiales a la escala más pequeña que se haya intentado. No es sorprendente que sea sensible a todas las vibraciones terrenales a su alrededor, desde los ruidos de un automóvil que pasa hasta desastres naturales en el otro lado del globo.
Como resultado, los científicos que trabajan en uno de los detectores LIGO (Observatorio de ondas gravitacionales con interferómetro láser) deben hacer todo lo posible para cazar y eliminar todas las fuentes potenciales de ruido, ralentizando el tráfico alrededor del detector, monitoreando cada pequeño temblor en el tierra, incluso suspendiendo el equipo de un sistema de péndulo cuádruple que minimiza las vibraciones, todo en el esfuerzo por crear el punto vibratorio más "silencioso" en la Tierra.
"Todo se trata de la búsqueda de ruido", dijo Janeen Romie, líder del grupo de ingeniería de detectores en el detector LIGO en Louisiana.
¿Por qué los físicos de LIGO están tan obsesionados con eliminar el ruido y crear el lugar más libre de vibraciones del planeta? Para entender eso, necesita saber qué son las ondas gravitacionales y cómo LIGO las detecta en primer lugar. Según la relatividad general, el espacio y el tiempo son parte del mismo continuo, que Einstein llamó espacio-tiempo. Y en el espacio-tiempo, los objetos masivos que aceleran rápidamente pueden producir ondas gravitacionales, que se parecen a las ondas que irradian hacia afuera cuando una piedra cae sobre la superficie de un estanque. Estas ondas revelan el estiramiento y la contracción del tejido del cosmos mismo.
¿Cómo se miden los cambios en el espacio-tiempo mismo, cuando cualquier dispositivo de medición experimentaría esos mismos cambios? La ingeniosa solución es lo que se conoce como interferómetro. Se basa en el hecho de que las ondas gravitacionales estiran el espacio-tiempo a lo largo de una dirección, mientras que lo contraen a lo largo de la dirección perpendicular. Piense en una boya en el agua: cuando pasa una ola, sube y baja. En el caso de una onda gravitacional que se irradia a través de la Tierra, todo oscila muy ligeramente de un lado a otro, en lugar de arriba y abajo.
El detector LIGO está compuesto por una fuente de luz láser, un divisor de haz, varios espejos y un detector de luz. La luz sale del láser, se divide en dos haces perpendiculares mediante un divisor de haz, luego viaja distancias iguales por los brazos del interferómetro hasta dos espejos, donde la luz se refleja de nuevo por los brazos. Ambos haces golpean el detector, que se coloca frente a uno de los espejos reflectantes. Cuando una onda gravitacional pasa a través del interferómetro, hace que uno de los brazos sea un poco más largo y el otro un poco más corto, ya que estira el espacio a lo largo de una dirección mientras lo comprime a lo largo de otra. Este cambio infinitamente pequeño se registra en el patrón de luz que golpea la luz. detector. El nivel de sensibilidad de LIGO es equivalente a "medir la distancia a la estrella más cercana (unos 4,2 años luz) con una precisión menor que el ancho de un cabello humano", según el sitio web de colaboración de LIGO.
Para poder detectar la onda del ancho de ese cabello, los científicos hacen todo lo posible para eliminar cualquier posible perturbación de esta configuración finamente ajustada, dijo Carl Blair, un investigador postdoctoral en LIGO que estudia la opto-mecánica, o la interacción de la luz con los sistemas mecánicos.
Para comenzar, los brazos de 2.5 millas de largo (4 kilómetros) están en una de las aspiradoras más perfectas del mundo, lo que significa que está casi libre de moléculas, por lo que nada puede interferir con la trayectoria del haz. Los detectores también están rodeados de todo tipo de dispositivos (sismómetros, magnetómetros, micrófonos y detectores de rayos gamma, por nombrar algunos) que miden las perturbaciones en los datos y los eliminan.
Cualquier cosa que pueda interferir o ser interpretada erróneamente como una señal de onda gravitacional también debe ser cazada y eliminada, dijo Blair. Eso incluye imperfecciones dentro del detector mismo, lo que se conoce como ruido, o perturbaciones no astrofísicas que son detectadas por el instrumento, lo que se conoce como fallas técnicas. Los físicos incluso deben tener en cuenta las vibraciones de los átomos que forman el espejo del detector y las fluctuaciones aleatorias de la corriente en la electrónica. A mayor escala, los problemas técnicos pueden ser desde un tren de carga que pasa hasta un cuervo sediento.
Y las fallas pueden ser realmente difíciles de identificar. Cuando Arnaud Pele se unió al equipo de ingeniería de detectores en LIGO, se le encargó averiguar de dónde provenía una perturbación especialmente molesta: los instrumentos que medían el movimiento del suelo alrededor de los detectores de ondas gravitacionales registraban un pico constante, y nadie Sabía por qué. Después de varios meses de búsqueda persistente, encontró al culpable: una roca sin pretensiones alojada entre el suelo y algunos resortes mecánicos bajo un sistema de ventilación. Debido a la roca, los resortes no pudieron evitar que la vibración del ventilador se mostrara en el detector, causando la misteriosa señal. "Es una parte muy divertida de mi trabajo hacer estas cosas de detectives", dijo Pelé. "La mayoría de las veces, son soluciones simples". En la búsqueda de vibraciones infinitamente pequeñas desde los confines del universo, el verdadero trabajo puede estar muy abajo en la Tierra.
Lo más importante, quizás, son tres detectores: además del de Louisiana, hay uno en Hanford, Washington, y un tercero en Italia: "Si algo es real, tiene que tener el mismo aspecto en todos los detectores", dijo el miembro de colaboración de LIGO Salvatore Vitale, profesor asistente de física en el MIT. Si se trata de un tren de carga o una roca alojada debajo de un resorte, solo aparecerá en uno de los tres detectores.
Con todas estas herramientas y algunos algoritmos muy sofisticados, los científicos pueden cuantificar la probabilidad de que una señal sea de hecho una onda gravitacional. Incluso pueden calcular la tasa de falsas alarmas para una detección dada, o la posibilidad de que la señal exacta aparezca por accidente. Uno de los eventos de principios de este verano, por ejemplo, tuvo una tasa de falsas alarmas de menos de una vez en 200,000 años, lo que lo convirtió en un candidato extremadamente convincente. Pero tendremos que esperar hasta que se emita el veredicto final.
El informe para este artículo fue parcialmente respaldado por una subvención de la National Science Foundation.
