LIGO: a la escucha del Universo con Ondas Gravitacionales
Mi anterior artículo versó sobre Ondas Gravitacionales. Analicé qué son las ondas, cómo se producen y su importancia para la Fisica actual. Voy a analizar este artículo a sus propiedades, su estudio y forma de detección.
Las ondas gravitacionales se detectan aprovechando una propiedad de las ondas tanto sonoras como electromagnéticas: Interferometría.
¿Qué es una onda?
Una onda es una perturbación, alteración o variación que se propaga en un medio (material o incluso vacío en el caso de ondas electromagnéticas), transportando energía de un lugar a otro sin transportar materia de forma permanente. Vibraciones que repiten su forma cada cierto espacio de tiempo Las ondas son una forma fundamental de transmisión de información y energía en la naturaleza.
Propiedades de las ondas:
La amplitud es la medida de la máxima desviación de la onda respecto a su posición de equilibrio. Nos informa de su intensidad o energía que transporta. En las ondas sonoras, una mayor amplitud se traduce en un sonido más fuerte, mientras que en las ondas electromagnéticas, la amplitud está relacionada con la intensidad de la luz.
El período mide el tiempo necesario para realizar una vibración completa.
La frecuencia se refiere al número de ciclos de la onda que pasan por un punto en un segundo. Se mide en hertzios (Hz, ciclos/s) y está relacionada con el tono de un sonido en el caso de las ondas acústicas. A mayor frecuencia, tono más agudo. En radio y televisión, diferentes frecuencias se utilizan para transmitir diferentes canales o señales.
La longitud de onda es la distancia que hay entre un punto de la onda y el siguiente punto equivalente. Es inversamente proporcional a la frecuencia; es decir, las ondas de mayor frecuencia tienen longitudes de onda más cortas. En la luz, diferentes longitudes de onda corresponden a diferentes colores.
Propiedades de las ondas.
Velocidad de propagación de una onda es la distancia que recorre en un determinado tiempo. La velocidad varía según el medio en el que se propaga la onda. Por ejemplo, las ondas sonoras se propagan a unos 340 m/s en el aire (aunque depende de la temperatura, presión, humedad). Se mueve más rápido en el agua que en el aire. Las ondas electromagnéticas se trasladan, en el vacío, a la velocidad de la luz (299.792,458 km/s).
Pero primero analicemos qué es una interferencia:
Es un fenómeno que ocurre cuando dos o más ondas se encuentran en el mismo espacio al mismo tiempo, combinándose para formar una nueva onda. Esta combinación (interferencia) puede ser constructiva o destructiva, dependiendo de cómo coincidan sus fases.
En ondas electromagnéticas la propiedad periódica es la variación de dos campos perpendiculares, un eléctrico y otro magnético.
Tipos de interferencia:
Para analizar las interferencias es necesario conocer dos conceptos
Fase: La posición de la onda en su ciclo de oscilación en un momento dado. Es crucial para determinar cómo interactúan las ondas.
Superposición: Cuando las ondas se encuentran, sus amplitudes (alturas) se suman en cada punto (pueden encontrarse en cualquier parte del ciclo)..
Interferencia constructiva:
- Las ondas están en fase (sus crestas y valles coinciden).
- La amplitud resultante es la suma de las amplitudes originales, formando una onda más intensa.
- Ejemplo: Dos altavoces sincronizados generan un sonido más fuerte en ciertos puntos.
Los efectos de las ondas verde y azul se suman generando la onda roja.
Interferencia destructiva:
- Las ondas están fuera de fase (una cresta coincide con un valle).
- La amplitud resultante es menor o incluso se cancela si las amplitudes son iguales y opuestas.
- Ejemplo: Los auriculares con cancelación de ruido utilizan este principio.
Interferencia parcial:
Si las ondas no están completamente en fase ni fuera de fase, la amplitud resultante estará entre la constructiva y la destructiva.
Importancia de las interferencias:
La interferencia de ondas es un fenómeno fundamental en muchas áreas, como la óptica, la acústica, la comunicación inalámbrica y la física cuántica. Permite entender cómo interactúan las ondas y cómo podemos aprovecharlas para aplicaciones prácticas, como la creación de imágenes, la mejora de tecnologías de sonido o el diseño de dispositivos ópticos. Y, más recientemente, en el estudio de ondas gravitacionales mediante interferometría.
¿Qué es la interferometría?
La interferometría es una técnica que utiliza la interferencia de ondas para medir propiedades físicas como longitudes, distancias, cambios de fase, o diferencias en tiempos de viaje. Es comúnmente utilizada en física, astronomía, ingeniería, y otras ciencias para realizar mediciones extremadamente precisas.
Historia de la Interferometría:
La interferometría tiene una historia que se remonta a finales del siglo XIX.
Experimento de Michelson-Morley (1887): Uno de los primeros y más famosos usos de la interferometría fue el experimento de Michelson y Morley. Albert A. Michelson y Edward W. Morley realizaron este experimento para detectar el éter, un medio hipotético que se pensaba que llenaba el espacio y permitía la propagación de la luz. El experimento no logró detectar el éter, lo que llevó a la conclusión de que no existía, proporcionando evidencia crucial para la teoría de la relatividad especial de Einstein.
Interferómetro de Michelson: Albert Michelson también desarrolló el interferómetro de Michelson, un dispositivo que utiliza la interferencia de la luz para medir distancias extremadamente pequeñas con alta precisión. Este dispositivo se ha utilizado en una variedad de aplicaciones científicas, incluyendo la medición de la velocidad de la luz y la detección de ondas gravitacionales.
Desarrollo de la Interferometría Óptica: A lo largo del siglo XX, la interferometría óptica se desarrolló y mejoró, encontrando aplicaciones en campos como la astronomía, la metrología y la ingeniería. Los interferómetros ópticos de gran escala, como el Very Large Telescope Interferometer (VLTI) en Chile y el interferómetro Keck en Hawái, han permitido a los científicos obtener imágenes de alta resolución del espacio.
Experimento de la doble rendija en función de las interferencias
El experimento de la doble rendija de Thomas Young es un clásico en la física, ya que demuestra la naturaleza ondulatoria de la luz (y, más tarde, de las partículas como los electrones).
Se utiliza una fuente de luz coherente (como un láser) para asegurar que las ondas de luz sean uniformes. La luz pasa a través de dos rendijas estrechas y paralelas. Detrás de las rendijas, hay una pantalla donde se observa el patrón resultante.
Cuando la luz pasa por las dos rendijas, cada rendija actúa como una nueva fuente de ondas. Estas ondas se propagan desde las rendijas y se superponen en el área detrás de las rendijas. Se crean interferencias constructivas (franjas brillantes) y destructivas (franjas oscuras).
En tu vida diaria, un ejemplo de interferometría sería cuando ves patrones de colores en una burbuja de jabón o en una delgada película de aceite en el agua. Estos patrones son causados por la interferencia de la luz reflejada en las diferentes capas de la burbuja o del aceite.
En resumen, la interferometría es una herramienta poderosa para analizar fenómenos que involucran ondas, aprovechando la capacidad de estas para superponerse y revelar información detallada sobre el entorno físico.
En 2016, los investigadores del LIGO confirmaron la detección de ondas gravitacionales, observadas por primera vez en septiembre de 2015. Este logro fue posible gracias a la interferometría láser avanzada utilizada por LIGO, que permitió medir cambios minúsculos en la distancia causados por las ondas gravitacionales.
Se han construido varios detectores de ondas gravitacionales.
LIGO, "Observatorio de ondas gravitacionales por interferometría láser" (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory). Existen dos observatorios de este tipo:
LIGO Livingston: Livingston, Louisiana, Estados Unidos.
LIGO Hanford: Hanford, Washington, Estados Unidos.
VIRGO, “Variability of Irradiance and Gravity Oscillations“: Cerca de Pisa, Italia.
KAGRA, (Kamioka Gravitational Wave Detector): En Kamioka, Japón.
Características principales de KAGRA:
GEO600: Cerca de Hannover, Alemania.
Características principales de GEO600:
Rango de frecuencia: 50
Hz a 1.5 kHz.
Longitud de los brazos: 600 metros.
Capacidad:
Detecta ondulaciones extremadamente pequeñas en la estructura del
espacio-tiempo, del orden de 10-21
Estos detectores trabajan en conjunto para detectar y analizar las ondas gravitacionales, lo que nos ayuda a entender mejor el universo y los eventos cósmicos como la fusión de agujeros negros y estrellas de neutrones.
Pero, vayamos a por nuestro preferido:
LIGO (Ver final Características tridimensionales de las ondas gravitacionales)
LIGO utiliza enormes interferómetros láser para medir cambios minúsculos en la distancia entre espejos situados a kilómetros de distancia, lo que permite detectar estas ondas. Este descubrimiento ha abierto una nueva ventana para estudiar el universo y ha proporcionado pruebas directas de la existencia de ondas gravitacionales, una predicción de la teoría de la relatividad general de Einstein.
Emplea dos brazos de 4 km de longitud cada uno, perfectamente perpendiculares entre sí.
Un láser altamente estable se divide en dos haces que viajan por cada uno de los brazos del interferómetro. En los extremos de los brazos, los haces láser son reflejados por espejos suspendidos. Estos espejos están diseñados para ser extremadamente sensibles y precisos.
Los haces láser vuelven a unirse después de recorrer los brazos y crean un patrón de interferencia en un detector. En condiciones normales, los caminos de los dos haces son iguales y se cancelan mutuamente en el detector.
Cuando una onda gravitacional pasa por la Tierra, provoca que los brazos del interferómetro se estiren y se compriman ligeramente. Este cambio es extremadamente pequeño, del orden de una fracción del tamaño de un protón. Sin embargo, estas pequeñas variaciones causan un cambio en el patrón de interferencia del láser que LIGO puede detectar.
LIGO mide esta distancia mediante un proceso conocido como interferometría láser. La luz tiene propiedades ondulatorias, por lo que cuando dos haces de luz se superponen, se combinan como ondas. Si las ondas de la luz se alinean, o están «en fase», se superponen y se hacen más brillantes. Si están desfasadas, se anulan y se atenúan. Así pues, LIGO parte de un haz de luz en fase y lo divide, enviando un haz a lo largo de un brazo de LIGO y otro a lo largo del otro. Los haces rebotan en un espejo situado a 4 kilómetros de distancia y vuelven a combinarse en un único haz que es visto por un detector. Si la distancia de un espejo cambia, también lo hace el brillo de la luz combinada.
¿Cómo detecta LIGO ondas gravitacionales?
Componentes Clave de LIGO
- Espejos de Alta Reflectancia: Reflejan los haces láser de manera precisa.
- Suspensiones Avanzadas: Minimizan el ruido sísmico y térmico.
- Sistema de Vacío: Mantiene los haces láser en un ambiente sin aire para evitar cualquier interferencia.
- Sistemas de suspensión de los espejos, con el fin de minimizar los movimientos vibratorios del entorno. Los espejos están colgados mediante un sistema de cuatro niveles de péndulos. Las vibraciones externas de cada nivel son filtradas y eliminadas por el siguiente nivel. Los espejos están colgados mediante fibras de sílice ultra finas.
- Temperaturas bajas, con el fin de reducir las vibraciones de origen térmico. En el futuro próximo se propone enfriar los componentes críticos a temperaturas criogénicas de -253 ºC, así como cristal de zafiro para los espejos.
¿Cómo funciona LIGO?
LIGO mide esta distancia mediante un proceso conocido como interferometría láser. La luz tiene propiedades ondulatorias, por lo que cuando dos haces de luz se superponen, se combinan como ondas. Si las ondas de la luz se alinean, o están «en fase», se superponen y se hacen más brillantes. Si están desfasadas, se anulan y se atenúan. Así pues, LIGO parte de un haz de luz en fase y lo divide, enviando un haz a lo largo de un brazo de LIGO y otro a lo largo del otro. Los haces rebotan en un espejo situado a 4 kilómetros de distancia y vuelven a combinarse en un único haz que es visto por un detector. Si la distancia de un espejo cambia, también lo hace el brillo de la luz combinada.
Proceso de Análisis de Datos
Los datos recolectados por los interferómetros de LIGO son analizados por complejos algoritmos que buscan señales de ondas gravitacionales entre el ruido de fondo. Cuando se detecta una señal potencial, se compara con las predicciones teóricas para confirmar la observación.
LIGO ha permitido la detección de numerosos eventos cósmicos, incluyendo la primera detección de ondas gravitacionales en 2015, que resultó de la colisión de dos agujeros negros. Estas detecciones han proporcionado información valiosa sobre el universo y han validado predicciones de la teoría de la relatividad general de Einstein.
Ismael Camarero
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Para saber más:
https://naukas.com/2011/04/14/el-gran-perro-en-su-envoltorio/
The Sound of Two Black Holes Colliding
LIGO Detects Gravitational Waves
EPISODE 1 - LIGO: A DISCOVERY THAT SHOOK THE WORLD
EPISODE 2 - LIGO: A DISCOVERY THAT SHOOK THE WORLD
Simulador de interferencias:
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