reducción de ruido en detectores de ondas gravitacionales

Un detector cuántico es como un péndulo sensible suspendido en el espacio vacío. Si una onda gravitatoria abrupta pasa cerca, uno esperaría que el péndulo se balanceara. Pero el cálculo muestra algo distinto: la onda no lo agita, sino que amortigua las oscilaciones ya existentes.

Imagina una cuerda tensada entre dos clavijas. Una mínima caricia la hace vibrar, y por el tono del sonido se puede adivinar cómo se ha tocado. Una cuerda similar es la que han tensado los físicos de la Universidad de Arizona, pero no en un instrumento musical, sino sobre una membrana de silicio de cien nanómetros de grosor.

Los detectores de ondas gravitacionales se parecen a oídos muy sensibles: captan el temblor del espacio cuando, en algún lugar del universo, chocan agujeros negros o estrellas de neutrones. Pero incluso los mejores «oídos» no oyen todo. El nuevo proyecto LIGO A# es como cambiar el tímpano por una membrana más fina y sensible.

Un diminuto defecto en el cristal de diamante es como un micrófono sensible que capta los campos magnéticos más sutiles. Así funcionan los sensores basados en centros de nitrógeno-vacante (cuando un átomo de nitrógeno y una vacante vecina forman un sistema cuántico).

Un enorme cuenco de agua. Tira una piedra y verás círculos expandirse. Así funciona el tejido del espacio-tiempo: cuando dos estrellas masivas se fusionan, generan ondas: ondas gravitacionales. Estas ondas llegan a la Tierra y son captadas por gigantescos detectores como LIGO y Virgo.

Caleidoscopio de ruidos: así se puede describir el flujo de datos que brota de los interferómetros LIGO.

Predichas por Albert Einstein, las ondas gravitacionales son faros en el oscuro océano del cosmos. Brotan cuando chocan agujeros negros y atraviesan el Universo con ondas en el espacio.

En 2019, en el detector LIGO se registró una onda gravitacional — una ondulación en el tejido del espacio-tiempo — cuyo mapa tiempo-frecuencia se asemejaba a un curioso peine. Cada señal de fusión de agujeros negros deja un patrón único, similar a huellas dactilares.

Aislar la señal de un par de agujeros negros supermasivos es como distinguir los pasos de un bailarín en el estruendo de un huracán. En algún lugar del cosmos, estos monstruos giran en un lento tango gravitacional, deformando el propio espacio-tiempo.

Un rayo láser en un túnel de varios kilómetros tiembla al paso de una onda gravitacional, pero tiembla de forma apenas perceptible, en fracciones del diámetro de un protón. Para escuchar ese susurro del cosmos, los físicos exprimen de la luz todo lo que pueden.

En pos de las ondas gravitacionales — ondulaciones del espacio-tiempo dejadas por agujeros negros y estrellas de neutrones — detectores como LIGO bombean sus brazos con luz de una potencia cegadora.

Los detectores LIGO y Virgo captan ondas gravitacionales de fusiones de agujeros negros y estrellas de neutrones.

Una computadora cuántica se parece a una orquesta donde cada músico debe tocar su parte sin equivocarse. Los músicos son los cúbits, portadores de información cuántica. Para que la orquesta suene armoniosa, se necesitan cúbits fiables, controlables y no demasiado sensibles al ruido.

El universo está impregnado de masa invisible: la materia oscura, cuya existencia fue propuesta por primera vez por Fritz Zwicky en la década de 1930, al observar el movimiento de las galaxias en los cúmulos.

Un micrófono ultrasensible no escucha el sonido, sino el temblor del propio espacio. Así funcionan los detectores de ondas gravitacionales: LIGO, Virgo, KAGRA.

Los telescopios gravitacionales escuchan la «música» cósmica — ondas gravitacionales de catástrofes lejanas. Pero sus grabaciones están llenas de «arañazos» — breves interferencias terrestres. Antes, la evaluación se hacía sobre toda la pista a la vez y los chasquidos débiles se perdían.

Una orquesta donde cada músico toca su parte y el director intenta captar un ritmo apenas audible, común a todos. Así más o menos buscan los astrónomos las ondas gravitacionales de pares de agujeros negros supermasivos (con masas de miles de millones de soles) que giran uno alrededor del otro en galaxias lejanas.

Una mota de polvo levitando en una trampa láser es el péndulo ideal para medir la gravedad. Flota en el vacío sin tocar las paredes, y su movimiento depende solo de las fuerzas externas. En el nuevo trabajo se propone un sensor mejorado: un qubit mecánico "comprimido" basado en un oscilador no lineal.

Un imán del tamaño de un grano de arroz flota en el vacío sin tocar las paredes. Lo sostiene el campo magnético de una trampa superconductora: un anillo enfriado a un estado en el que la corriente fluye sin resistencia.

Un diapasón suena increíblemente puro, pero en cuanto lo tocas, el tono cambia casi al instante. Algo así era el desafío para los ingenieros: crear un láser que tuviera a la vez dos propiedades aparentemente incompatibles: una pureza espectral excepcional (una línea de emisión muy estrecha, como un diapasón que da una sola nota sin vibraciones parásitas) y la capacidad de…

Cuando dos agujeros negros se fusionan, el agujero resultante 'suena' durante un tiempo, emitiendo ondas gravitacionales — como una campana que se apaga. Este repique es captado por detectores gigantes, creados por Rainer Weiss y Kip Thorne.

Los espejos en los detectores de ondas gravitacionales escuchan al Universo, pero su propio temblor los ensordece, como un micrófono en una estación ruidosa.

Los sensores magnéticos más pequeños que una cabeza de cerilla ya pueden detectar campos débiles, como los del corazón o de un planeta lejano. Pero para hacerlos aún más sensibles, hay que llegar a un compromiso: si aumentas una pieza, pierdes en otra.

Sobre la mesa hay un instrumento sensible: una balanza de torsión. Dos masas pesadas giran junto a una barra suspendida, y su atracción tiende a hacer girar esa barra. Pero las masas están dispuestas de modo que su atracción newtoniana ordinaria se cancela mutuamente: una tira hacia un lado, la otra hacia el opuesto. Solo queda un residuo débil, que es lo que capta el instrumento.

Un detector que busca partículas raras se parece a un oído que intenta percibir un susurro en una habitación ruidosa. Cuanto más débil es la señal, más difícil resulta distinguirla del ruido aleatorio.

Cuando una estrella masiva muere y colapsa en una supernova, nace una estrella de neutrones: una esfera del tamaño de una ciudad pero con la masa del Sol. Su materia está tan comprimida que una cucharadita pesa más que el Monte Everest.

Un fluido sin fricción, que fluye eternamente, eso es la superfluidez. El helio-3 la adquiere solo a milésimas de grado por encima del cero absoluto. La teoría de este estado fue desarrollada por Lev Landau y Richard Feynman.

Los agujeros negros no son abismos silenciosos, sino diapasones naturales. Su rápida rotación, predicha por Roger Penrose, hace cantar al propio espacio-tiempo, generando una corriente de las partículas más ligeras: los axiones.

Ya el propio Einstein predijo las ondas gravitacionales: el temblor mismo del tejido del espacio-tiempo. Hoy las captan gigantescas instalaciones como LIGO, creadas gracias a Rainer Weiss y Kip Thorne.

En el denso cúmulo de galaxias de Virgo, los astrónomos han detectado seis extrañas nubes de hidrógeno neutro, un gas que no emite luz y por tanto es invisible para los telescopios ordinarios. Los radiotelescopios lo captan, pero de dónde procedía no estaba claro.

El universo se expande y las galaxias se separan como pasas en una masa que leva. Pero desde finales de los años 1990 sabemos que esa expansión se está acelerando. ¿Qué fuerza empuja a las galaxias cada vez más rápido? Es uno de los grandes enigmas de la física. La llamamos energía oscura, y constituye alrededor del 70% de todo el contenido del cosmos.

La fusión de dos estrellas de neutrones es como el golpe de un gong: un estremecimiento del espacio se expande por el universo, una onda gravitacional. Los detectores en la Tierra captan ese estremecimiento y, según su fuerza, calculan la distancia hasta la fuente.

La materia oscura es cinco veces más masiva que la materia ordinaria, pero no emite luz. Su naturaleza es desconocida. Uno de los candidatos son los axiones, partículas ultraligeras. Pueden atravesar el planeta de lado a lado, casi sin notar los átomos.

Medir la expansión del universo es como cronometrar una carrera mientras la pista se estira. Las fusiones de estrellas de neutrones actúan como sirenas estándar: sus ondas gravitacionales resuenan con un «volumen» conocido, así que las señales más débiles implican mayor distancia.

Dos agujeros negros giran uno alrededor del otro, y su danza no siempre se parece a un vals regular. Si los agujeros giran sobre su propio eje, su órbita puede empezar a tambalearse, como una peonza a la que empujan y se inclina hacia un lado sin dejar de girar.

La materia oscura constituye el 85% de la materia del Universo, pero permanece invisible. Solo se manifiesta a través de la gravedad. Se puede detectar por el "sonido" cósmico: una vibración tenue que impregna el espacio. Un detector solitario es impotente aquí: la señal es demasiado débil. Los físicos convierten muchos sensores en un conjunto cuántico.

Las ondas sonoras en un chip normalmente se propagan en todas direcciones, como susurros que resuenan en una cúpula. En un giroscopio, esto crea ruido que oculta la rotación. Pero un nuevo diseño fuerza al sonido a fluir en un solo sentido.

Según la teoría de Einstein, la rotación de la Tierra arrastra consigo el espacio-tiempo, como una cuchara arrastra miel espesa. Este efecto es increíblemente débil: aproximadamente una vuelta cada miles de millones de años. Pero se puede captar.

La Luna no es solo un satélite, sino una potencial campana gravitacional. Cuando los cuerpos masivos colisionan, el espacio-tiempo tiembla, y ese temblor, las ondas gravitacionales, hace vibrar todo lo que encuentra a su paso.