Un experimento de bolsillo para detectar ondas gravitacionales

Un detector del tamaño de una moneda podría observar ondas gravitacionales antes que los interferómetros gigantes como LIGO, de acuerdo con dos físicos australianos que han construido el dispositivo. El detector está diseñado para registrar las ondas gravitacionales de muy alta frecuencia a través de vibraciones excepcionalmente débiles. Otros científicos advierten que os objetos astrofísico podrían emitir dicha radiación muy débilmente o puede que realmente no exista.

Predichas por la teoría general de la relatividad de Einstein, pero aún no observadas directamente, las ondas gravitacionales son ondulaciones en el espacio-tiempo generadas por la aceleración de objetos masivos. El diminuto detector ha sido creado por Maxim Goryachev y Michael Tobar, de la Universidad de Australia Occidental en Perth y está basado en la tecnología de detección de resonancia en serie, que tiene décadas de antigüedad.

Ideados por primera vez  por Joseph Weber, de la Universidad de Maryland en los EE.UU. a finales de 1950, los detectores de masa resonantes han empleado tradicionalmente barras de metal de un metro de largo y de alrededor de una tonelada de peso, lo que los hace sensibles a las ondas gravitatorias con frecuencias de hasta aproximadamente un pocos kilohercios. Resultó, sin embargo, que las pequeñas vibraciones que serían inducidas por las ondas gravitacionales son extremadamente difíciles de detectar por encima del ruido térmico en la barra -incluso cuando se enfría a temperaturas criogénicas.

Goryachev y Tobar superaron este problema apuntando la radiación gravitacional en el rango de 1 a 1000 MHz. Tobar inicialmente pensó que el tipo de detector gramo escala adecuada a estas frecuencias sería demasiado para producir cualquier tipo de señal medible.Pero luego se dio cuenta de que podían lograr las sensibilidades necesarias por enfriamiento de onda acústica en bloque (BAW) de una cavidad cuarzo y aumentar su producción utilizando extremadamente bajo ruido de amplificadores “SQUID”. “Nuestra tecnología realmente ha existido durante décadas, pero a temperatura ambiente.”

Su dispositivo consta de un disco de cuarzo de alrededor de 2,5 cm de diámetro con bisagras ancladas a otra pieza de cuarzo y ambas se colocan en una cámara de vacío. Una onda gravitacional de alta frecuencia que pasara podría hacer que el disco vibrara, generando la creación de ondas estacionarias de sonido a través del espesor de 2 mm del disco. La superficie superior del disco es ligeramente curvada para atrapar quantos-sonido (fonones), algo que mejora la relación señal-ruido. La naturaleza piezoeléctrica del cuarzo permite que las pequeñas vibraciones se convierten en una señal eléctrica que es amplificada por el SQUID.

Los investigadores están actualmente operando su dispositivo en 4 K, con la esperanza de obtener el criostato dedicado y los SQUIDs sensibles necesarios para llegar a la temperatura de diseño de 10 mK dentro del próximo año. El dispositivo cuesta unos 500.000 dólares y los físicos dicen que su tamaño compacto y facilidad de fabricación se presta a ser ampliado y podrían mejorarse la sensibilidad y ayudar a filtrar los eventos espurios.

Habiendo contado con todas las fuentes conocidas de ruido, Goryachev y Tobar calculan que su detector sería sensible a ondas en el espacio-tiempo tan baja como 10 ^-22 , el límite al que el interferómetro Advanced LIGO está ajustadose. Advanced LIGO es una actualización de dos detectores LIGO existentes en los EE.UU., que buscan ondas gravitacionales que utilizan enormes masas situadas en los extremos de los interferómetros ópticos con los brazos de 4 km. Se espera que los enormes detectores puedan detectar señales de entre aproximadamente 0,1 a 1 kHz, de fuentes tales como estrellas de neutrones binarias o procedentes de la colisión de agujeros negros, todo listo para finales de 2018.

Goryachev y Tobar dicen que su dispositivo debe detectar agujeros negros de masa baja cercados por materia oscura, ya que emiten ondas gravitacionales igual que electrones ligados en un átomo emite radiación electromagnética. Otras posibles fuentes, añaden, incluyen los flujos de plasma y entidades cosmológicas exóticas como cuerdas cósmicas o nubes de axiones. Tobar dice que podían detectarse ondas gravitacionales antes que el Advanced LIGO, y agregó que “Por lo menos podemos poner los primeros límites superiores serios para estas fuentes.”

Mike Cruise, astrofísico de la Universidad de Birmingham en el Reino Unido, elogia la propuesta “Es muy sofisticada pero a la vez creíble”, pero advierte que muchas fuentes de alta frecuencia “Son muy especulativas, y es posible que no existan”, y también pueden ser mucho más débiles que las sondeadas por los interferómetros. “La energía gravitacional disponible es probable que baje del cubo de la longitud de onda, lo que es difícil de detectar cuando las longitudes de onda disminuyen en factores de mil o un millón.”

El detector se describe en una preimpresión en arXiv

Autor: Edwin Cartlidge