Un avance óptico sorprendente podría transformar nuestra visión del universo

Los detectores de ondas gravitacionales podrían recibir un importante impulso en su rendimiento gracias a un avance en instrumentación liderado por el físico Jonathan Richardson de la Universidad de California, Riverside. En un artículo publicado en la revista Optica, Richardson y su equipo describieron a FROSTI, un prototipo a gran escala que controla con éxito las ondas de luz láser a potencias extremadamente altas dentro del Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferometría Láser, conocido como LIGO.

LIGO es un observatorio que mide ondas gravitacionales, pequeñas ondulaciones en el espacio-tiempo generadas por objetos masivos en aceleración, como los agujeros negros en colisión. Fue la primera instalación en detectar directamente estas ondas, brindando un fuerte apoyo a la Teoría de la Relatividad de Einstein. Utilizando dos interferómetros láser de 4 km de longitud ubicados en Washington y Louisiana, LIGO puede detectar perturbaciones increíblemente pequeñas, ofreciendo a los científicos una nueva forma de estudiar agujeros negros, cosmología y materia en condiciones extremas.

LIGO depende de espejos que son algunos de los componentes más cuidadosamente diseñados en la ciencia moderna. Cada espejo mide 34 cm de diámetro, tiene 20 cm de grosor y pesa aproximadamente 40 kg. Para detectar distorsiones en el espacio-tiempo que son más pequeñas que 1/1,000 del diámetro de un protón, estos espejos deben mantenerse casi perfectamente quietos. Incluso las vibraciones o el ruido ambiental más pequeños pueden ahogar las débiles señales de ondas gravitacionales que LIGO intenta detectar.

"En el corazón de nuestra innovación se encuentra un dispositivo de óptica adaptativa novedoso diseñado para remodelar con precisión las superficies de los espejos principales de LIGO bajo potencias láser que superan 1 megavatio, más de mil millones de veces más fuerte que un puntero láser típico y casi cinco veces la potencia que LIGO utiliza actualmente", afirmó Richardson, profesor asistente de física y astronomía. "Esta tecnología abre un nuevo camino para el futuro de la astronomía de ondas gravitacionales. Es un paso crucial para habilitar la próxima generación de detectores como Cosmic Explorer, que verá más profundamente en el universo que nunca antes".

FROSTI, que significa FROnt Surface Type Irradiator, es un sistema de control de frente de onda de precisión diseñado para cancelar las distorsiones producidas cuando la intensa luz láser calienta la óptica de LIGO. Los sistemas existentes solo pueden hacer correcciones relativamente gruesas, pero FROSTI utiliza un método de proyección térmica más avanzado para aplicar ajustes finos y de orden superior a las superficies del espejo. Este nivel de control es esencial para los requisitos de rendimiento más exigentes de los futuros detectores.

A pesar de su nombre helado, FROSTI opera calentando la superficie del espejo de manera muy controlada, devolviéndolo a su forma óptica ideal. Al utilizar radiación térmica, el sistema proyecta un patrón de calor cuidadosamente diseñado sobre el espejo. Esto suaviza las distorsiones ópticas mientras evita el ruido adicional que podría confundirse con señales reales de ondas gravitacionales.

La importancia de una mejor óptica para la astronomía de ondas gravitacionales

Las ondas gravitacionales fueron detectadas por primera vez por LIGO en 2015, marcando el comienzo de una nueva era en la astronomía. Sin embargo, para aprovechar al máximo esta nueva forma de observar el universo, los detectores futuros necesitan ver eventos más distantes y medirlos con mayor claridad.

"Eso significa llevar los límites tanto en la potencia láser como en la precisión a nivel cuántico", dijo Richardson. "El problema es que aumentar la potencia láser tiende a destruir los delicados estados cuánticos de los que dependemos para mejorar la claridad de la señal. Nuestra nueva tecnología resuelve esta tensión asegurando que la óptica permanezca sin distorsiones, incluso a niveles de potencia de megavatios".

Con este enfoque, se espera que la nueva tecnología expanda el universo observable de ondas gravitacionales por un factor de 10. Este aumento en el alcance podría permitir a los astrónomos detectar millones de fusiones de agujeros negros y estrellas de neutrones a lo largo de la historia cósmica y estudiarlas con un detalle sin precedentes.

Mirando hacia el futuro: LIGO A# y Cosmic Explorer

FROSTI se espera que sea un componente clave de LIGO A#, una actualización planificada que actuará como un banco de pruebas para el observatorio de próxima generación conocido como Cosmic Explorer. El prototipo actual ha sido demostrado en un espejo de LIGO de 40 kg, pero los mismos principios pueden escalarse y adaptarse a los espejos mucho más grandes de 440 kg propuestos para Cosmic Explorer.

"El prototipo actual es solo el comienzo", dijo Richardson. "Ya estamos diseñando nuevas versiones capaces de corregir distorsiones ópticas aún más complejas. Esta es la base de I+D para los próximos 20 años de astronomía de ondas gravitacionales".

Richardson llevó a cabo la investigación en colaboración con científicos de UCR, MIT y Caltech. El trabajo fue apoyado por una subvención a Richardson de la National Science Foundation.