Los físicos también se entrenan como los jugadores de fútbol de élite

Dibujo20130315 ligo aerial photograph

Un día de marzo de 2011, a las 11:00 de la mañana, un grupo de físicos se había reunido en un hotel de California para discutir uno de los descubrimientos más importantes de la historia de la física. Las botellas de champán estaban preparadas. Tras meses de duro trabajo, pruebas y chequeos de todo tipo, tras controlar todas las fuentes posibles de error, con el artículo técnico completamente escrito, sólo faltaba el último paso, el visto bueno del jefe, Jay Marx. La colaboración LIGO había detectado la primera onda gravitatoria en la Constelación del Can Mayor. Pero Jay Marx confesó que la señal había sido un engaño intencionado para entrenarles (lo que los físicos llaman una inyección ciega). Una enorme ola de decepción inundó la sala. Nadie colgó al jefe, aunque a algunos les hubiera gustado. Al final todo quedó en aplausos por el buen trabajo realizado y, como no, las botellas de champán cayeron. ¿Realmente es necesario llegar tan lejos? ¿Habrá futuras inyecciones ciegas? El nuevo director de LIGO, David Reitze ha dicho que seguirá con el programa de inyecciones ciegas, en especial cuando entre en funcionamiento en 2015 el sucesor de LIGO, llamado Advanced LIGO. Muchas inyecciones ciegas se han realizado en LIGO desde que comenzó en 2002, pero ninguna había llegado tan lejos como Big Dog, la que se realizó el 16 de septiembre de 2010. Este entrenamiento «extremo» no gusta a todos los miembros de la colaboración, pero reconocen que es algo necesario. Nos lo cuenta Yudhijit Bhattacharjee, «Gravity-Wave Observatory Debates Fake-Data Tests,» Science 339: 1260, 15 March 2013.

GEO600, el primer detector de ondas gravitatorias que opera por debajo del límite de ruido cuántico

La teoría general de la relatividad predice la existencia de ondas gravitacionales, ondas del propio espaciotiempo producidas por fenómenos violentos como la colisión de dos agujeros negros. Aún no se han detectado estas ondas porque son muy débiles y su detección requiere medir cambios muy pequeños en distancias kilométricas entre los espejos de un interferómetro tipo Michelson. Estos espejos están colocados en el vacío y la medida de su distancia está limitada por el ruido cuántico del propio vacío, las fluctuaciones en el punto cero del campo electromagnético. Los miembros de la Colaboración Científica LIGO han desarrollado una nueva tecnología para el experimento GEO600, la inyección de luz estrechada (squeezed light), que permite medidas por debajo del límite de ruido cuántico, con una mejora de un 50% en la sensibilidad en el experimento. Durante los próximos cuatro años, GEO600 buscará ondas gravitacionales. Para los interesados en los detalles, el artículo técnico es The LIGO Scientific Collaboration, «A gravitational wave observatory operating beyond the quantum shot-noise limit,» Nature Physics, Published online11 September 2011 [ArXiv preprint].

La radiación gravitatoria se produce por el movimiento acelerado de masas, igual que la electromagnética se produce por el movimiento acelerado de cargas eléctricas. Producen ondas gravitacionales las explosiones de supernovas y los sistemas binarios formados por estrellas de neutrones y agujeros negros que se mueven en espiral uno respecto al otro.  Estas ondas se mueven a la velocidad de la luz y se revelan como estiramientos y compresiones alternadas del espacio-tiempo, transversales a la dirección de propagación. La medición directa de este fenómeno predicho por Einstein es uno de los grandes desafíos de la física contemporánea. El nuevo dispositivo experimental será utilizado en el detector británico-alemán GEO600, cuyos brazos de 600 metros de longitud; este observatorio es pequeño comparado con los dos observatorios LIGO en EE.UU. con brazos de 4 km de longitud (no están funcionamiento desde noviembre de 2010 porque están en proceso de actualización), o el Observatorio Europeo Virgo con brazos de 3 km de longitud. Además, hay otros detectores planificados en Japón, Australia y Europa.

La pena es que la región más interesante para la detección de ondas gravitatorias es entre 10 Hz y 1 kHz, y en dicha región el incremento de la sensibilidad es muy pequeño. Aún así, este artículo en Nature Physics ha sido una buena excusa para recordar que la búsqueda ondas gravitatorias es uno de los campos más prometedores de la física actual. El estudio del fondo cósmico de ondas gravitatorias nos abrirá unos nuevos ojos para contemplar el cosmos.

Un objeto de 2.7 kilogramos enfriado casi hasta su estado cuántico de mínima energía

Dibujo20090926_Optical_layout_LIGO_interferometer_using_Fabry–Perot_cavities_and_Response_function_mirror_displacement_various_levels_damping 

El observatorio de ondas gravitatorias LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) requiere tecnologías punta al borde de lo imaginable. Sus investigadores han logrado un detector de ondas gravitatorias por interferometría capaz de medir desplazamientos de sólo 10−18 m. en una banda de 100 Hz. centrada en 150 Hz. Para conseguirlo han enfriado dicho dispositivo de 2.7 kg. a una temperatura de 1.4 μK. (microKelvins). ¿Imposible? Lo parece pero no, lo han logrado B. Abbott et al. «Observation of a kilogram-scale oscillator near its quantum ground state,» New J. Phys. 11: 073032, July 2009. Un objeto macroscópico que se comporta como un objeto cuántico que oscila únicamente con 200 estados cuánticos alcanzables (sólo 10 veces por encima del límite cuántico teórico).  Raya lo imposible. Pero la detección de ondas gravitatorias así lo requiere.

Por qué LIGO no observa las ondas gravitatorias producidas por el púlsar del cangrejo

En 1054 una estrella explotó dando lugar a la nebulosa del cangrejo, con una estrella de neutrones en su interior en rápida rotación, 30 veces por segundo. Un púlsar que emite 4.4×1031 julios de energía por segundo (mil billones de veces la energía eléctrica consumida en la Tierra durante un año). Se pensaba que el 40% de esta energía se emitía en forma de ondas gravitatorias. Sin embargo, nadie ha observado estas ondas gravitatorias. De hecho, el nuevo límite obtenido por LIGO muestra que emite 7 veces menos del mínimo teórico que debería emitir (como mucho el 2% de su energía es emitida en forma de ondas gravitatorias). ¿Por qué? Nadie lo sabe. La única explicación es que la estrella de neutrones en su interior es una esfera perfecta. Una estrella de 12 km. de radio que rota sobre su eje 30 veces por segundo que está achatada por sus polos en menos de 1 metro. ¿Cómo es posible? Nadie lo entiende, pero así debe ser pues todos los físicos teóricos piensan que las ondas gravitatorias existir existen. Y como no se observan en el púlsar del cangrejo, pues lo dicho, su estrella de neutrones es una bola más perfecta que la mejor bola de billar fabricada por el hombre. Los nuevos datos sobre la búsqueda de ondas gravitatorias en LIGO producidas por púlsares se han publicado en The LIGO Scientific Collaboration, The Virgo Collaboration, «Searches for gravitational waves from known pulsars with S5 LIGO data,» Submitted on 19 Sep 2009.

Ninguna onda gravitatoria observada tras una búsqueda sistemática en 116 púlsares. En varios casos, el límite observacional para la producción de ondas gravitatorias está pocas veces por encima del límite teórico mínimo, como en los púlsares jóvenes J1913+1011 y J1952+3252. Resultados son sorprendentes que requieren una explicación. Para los especialistas en ondas gravitatorias, debe existir alguna razón por la cual las estrellas de neutrones soportan velocidades angulares de rotación extraordinariamente elevadas sin deformarse lo más mínimo. Esferas perfectas que desafían nuestra comprensión. Para los demás especialistas, quizás las ondas gravitatorias son mucho más débiles de lo que hasta ahora se había pensado. ¿Quién tendrá razón? La Mula Francis, como Newton, concluye con un hipotheses non fingo.

El mejor límite teórico para el fondo cósmico de ondas gravitatorias indica que ni LIGO ni Virgo pueden observarlo

Dibujo20090819_LIGO_sensibility_vs_new_limit_for_gravitational_wave_stochastic_background

Científicos de los detectores terrestres de ondas gravitatorias LIGO y Virgo publican hoy en Nature el mejor límite teórico para la contribución energética del fondo cósmico de ondas gravitatorias, las generadas en los inicios de la Gran Explosión (Big Bang), a la energía total del universo. En concreto, ΩGW < 7×10-6 en la banda de frecuencias de los 100 Hz que puede ser explorada por LIGO (Laser Interferometer Gravitational wave Observatory). Un límite que es un orden de magnitud más bajo de lo que se había estimado con anterioridad. Para que LIGO pudiera detectar estas ondas gravitatorias su sensibilidad debería alcanzar h < 4×10-23 en el rango de frecuencias de 40–170 Hz, un orden de magnitud más sensible de lo que se puede alcanzar en la actualidad (3×10-22). Ni LIGO ni Virgo podrán detectar este ondas gravitatorias. Habrá que esperar a LIGO Avanzado (se espera para 2014) o al detector espacial LISA (Laser Interferometer Space Antenna) que podrán observar contribuciones a ΩGW del orden de 10-9. Nos lo cuenta Marc Kamionkowski (Caltech, EEUU) «Gravity ripples chased,» Nature 460: 964-965, 20 August 2009, haciéndose eco del artículo técnico The LIGO Scientific Collaboration & The Virgo Collaboration, «An upper limit on the stochastic gravitational-wave background of cosmological origin,» Nature 460: 990-994, 20 August 2009.

La detección de ondas gravitatorias no sólo ratificará la teoría de Einstein de la gravedad sino que nos permitirá observar los primeros instantes de la Gran Explosión (Big Bang) ya que pueden atravesar regiones del espacio que son opacas para la radiación electromagnética. Todavía no han sido detectadas, pero cuando se logre, permitirán estudiar múltiples procesos físicos como la inflación (crecimiento exponencial del espacio tiempo cuando el universo tenía 10-38 segundos), la transición de fase electrodébil (a los 10-11 segundos), y otros fenómenos menos conocidos como las cuerdas cósmicas, otros defectos topológicos, o la posible compactificación de dimensiones predicha de la teoría de cuerdas.

Buenas noticias para los que trabajan en LISA, LIGO Avanzado y los demás detectores de la red de interferometría global para el estudio de ondas gravitatorias. Un lustro pasa muy pronto. Todo apunta a que todos asistiremos al análisis y estudio del fondo cósmico de ondas gravitatorias. Los físicos teóricos de cuerdas, entre otros, podrán comprobar de primera mano si sus ideas describen correctamente la Gran Explosión.

El proyecto NINJA: los algoritmos software necesarios para detectar ondas gravitatorias

Dibujo20090811_Distribution_signal-to-noise_ratio_versus_total_mass_NINJA_data_set_LIGO-Hanford_4km_detector

La interpretación de los datos experimentales de los detectores de ondas gravitatorias como LIGO, Virgo y LISA requiere un uso intensivo de métodos numéricos en relatividad general. El proyecto NINJA (Numerical INJection Analysis) tiene por objeto desarrollar dichas técnicas que dependen fuertemente del detector considerado. Se acaba de publicar su primer artículo en Classical and Quantum Gravity. Utilizando datos experimentales de ondas gravitatorias simuladas numéricamente por 10 grupos de investigación de todo el mundo, aunque sin incluir ruido en los datos, el artículo demuestra que los algoritmos están a punto y podrán conducir a la detección de ondas gravitatorias. ¿Serán suficientemente sensibles LIGO o Virgo para detectarlas? Los autores del artículo no se mojan y no quieren ofrecer conclusiones al respecto, pero lo que está claro es que si el ruido no degrada los resultados obtenidos por los algoritmos, sí serán capaces de lograrlo. Un primer trabajo alentador que será el punto de partida de futuros estudios que incluyan errores y ruido no gaussiano. Laura Cadonati et al. «Status of NINJA: the Numerical INJection Analysis project,» Class. Quantum Grav. 26: 114008, 2009 [ArXiv preprint].

La red mundial de detectores de ondas gravitatorias basadas en interferometría incluye los 3 detectores LIGO en EEUU, Virgo en Italia, TAMA en Japón, y GEO600 en Alemania. Junto a estos avances experimentales, se ha avanzado mucho en el desarrollo de códigos de relatividad numérica para la simulación de las ondas gravitatorias generados por fenómenos violentos en el universo, como la coalescencia de dos agujeros negros (Binary Black Hole, BBH) coalescences. El objetivo del proyecto NINJA es unir ambos mundos, experimento y simulación numérica, para facilitar la interpretación, siempre difícil de las señales que ofrezcan las instalaciones experimentales actualmente en en uso y las que se desarrollarán en los próximos años (como LISA). Con anterioridad al proyecto NINJA, se utilizaban simulaciones postnewtonianas, sólo válidas cuando dos agujeros negros en colisión están suficientemente alejados. El proyecto NINJA se inició en la primavera de 2008 estando formado por 10 grupos de relatividad numérica y 9 grupos de análisis de datos, con un total de 76 investigadores y 30 instituciones científicas.

Los primeros resultados del proyecto NINJA son esperanzadores, aunque todavía alejados de lo que permitirá el descubrimiento definitivo de las ondas gravitatorias. Las publicaciones del proyecto han empezado a pulular por ArXiv, como Laura Cadonati et al. «Un-modeled search for black hole binary systems in the NINJA project,» ArXiv, Submitted on 12 Jun 2009, y Benjamin Aylott et al. «Status of NINJA: the Numerical INJection Analysis project,» ArXiv, Submitted on 26 May 2009.