Solucionar un problema dentro de uno de los observatorios científicos más sofisticados del mundo podría parecer el tipo de desafío que exige una mejora multimillonaria o una nueva tecnología revolucionaria.
Pero para los científicos que trabajan en el Observatorio de Ondas Gravitacionales con Interferómetro Láser (LIGO), que detecta ondas en el espacio-tiempo generadas por colisiones cósmicas como la fusión de agujeros negros, la solución a un desafío de ingeniería leve pero persistente resulta ser tan simple como una cámara comercial.
Al combinar cámaras de imágenes térmicas disponibles comercialmente con modelos de computadora, un equipo dirigido por Jonathan Richardson de la Universidad de California, Riverside, ha desarrollado una técnica que corrige pequeñas distorsiones inducidas por el calor en los espejos del observatorio, un defecto esquivo que, según los científicos, actualmente limita hasta dónde puede mirar la instalación en el espacio profundo.
“No requiere ningún desarrollo de nueva tecnología, lo cual es casi inaudito para resolver un problema de instrumentación LIGO”, dijo Richardson en un comunicado.
Una vez incorporado a la próxima actualización de LIGO, Richardson y su equipo estiman que la solución ampliaría el alcance del observatorio en aproximadamente 33 millones de años luz.
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Esa ganancia puede parecer una gota en el océano frente a la escala inimaginablemente vasta del universo, pero debido a que el espacio se expande en tres dimensiones, empujar el alcance de un detector, aunque sea ligeramente, abre una ventana de espacio exponencialmente más grande. Ser capaz de mirar más adentro del universo permitirá a los astrónomos “escuchar” muchas más ondas cósmicas, lo que a su vez aumentará el potencial para descubrir las colisiones más violentas del universo que se encuentran más allá del alcance de LIGO en la actualidad.
LIGO detecta estas ondas cósmicas, conocidas como ondas gravitacionales, utilizando instalaciones gemelas en forma de L en los Estados Unidos, en los estados de Washington y Luisiana. Dentro de cada detector, un rayo láser dispara dos túneles de 4 kilómetros (2,5 millas) de largo, rebotando en espejos prístinos en cada extremo. Cuando una onda gravitacional pasa a través de la Tierra, sutilmente estira un túnel y aprieta el otro. Ese cambio microscópico altera ligeramente los rayos láser, produciendo un pequeño parpadeo de luz que alerta a los científicos sobre un evento cósmico distante.
Debido a que estas señales cósmicas son inconcebiblemente pequeñas, preservar cada fotón es crucial. Para lograr esto, LIGO se basa en espejos pulidos para reflejar el 99,9999% de la luz láser que incide en ellos, lo que los sitúa entre los componentes ópticos más puros jamás construidos.
Sin embargo, incluso estos espejos casi perfectos han tenido un defecto inevitable. Los espejos todavía absorben una pequeña fracción de esa intensa luz láser. Esa energía se convierte en calor, deformando la superficie del espejo unos pocos nanómetros, suficiente para distorsionar el rayo láser y reducir la sensibilidad general del observatorio.
Los físicos ya sabían que podían contrarrestar estas distorsiones aplicando calor específico a la parte posterior de los espejos. La parte difícil fue medir las distorsiones con suficiente precisión como para que el calor corrector pudiera aplicarse con exactitud exacta.
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La nueva técnica utiliza imágenes térmicas infrarrojas y modelos informáticos existentes para reconstruir un mapa de distorsiones en la superficie del espejo.
“Se puede considerar como tomar una fotografía infrarroja del motor de un automóvil”, dijo Richardson en el comunicado. “Un ingeniero puede observar el patrón de temperatura en el exterior e inferir lo que sucede dentro del motor. Estamos haciendo lo mismo con los espejos de LIGO”.
Y la técnica no es sólo una solución para LIGO. También se espera que forme parte del diseño fundamental de Cosmic Explorer, un observatorio estadounidense de ondas gravitacionales de próxima generación propuesto para mediados de la década de 2030.
Con brazos de 40 kilómetros de largo (10 veces más grandes que los de LIGO), Cosmic Explorer ya está diseñado para detectar eventos de ondas gravitacionales mucho más allá del alcance de los observatorios actuales. Esta nueva técnica sólo potenciará su alcance final.
“El objetivo de la próxima generación de detectores de ondas gravitacionales es alcanzar aproximadamente 10 veces la sensibilidad de los instrumentos actuales”, dijo Richardson en el comunicado. “Uno de los obstáculos clave para lograrlo es reducir el ruido mecánico cuántico fundamental que limita la precisión de las mediciones”.
La técnica se describe en un artículo publicado el 16 de julio en Classical and Quantum Gravity.