Observatorio LIGO consigue sobrepasar el límite cuántico

A escalas subatómicas muy pequeñas, el espacio vacío está en realidad lleno de una tenue “niebla” de “ruido” cuántico.

Esta niebla ha venido causando interferencias en las mediciones del LIGO, observatorio de ondas gravitacionales, limitando su sensibilidad.

Ahora, científicos del equipo del LIGO han logrado un avance significativo en una tecnología cuántica que les permite superar este límite impuesto por el “ruido” y medir arrugas en el espacio-tiempo en todo el rango de frecuencias gravitacionales detectadas por el LIGO.

“Ahora que hemos superado este límite cuántico, podemos hacer mucha más astronomía“, subraya Lee McCuller, del Instituto Tecnológico de California (Caltech) en Estados Unidos y miembro del equipo científico del LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory).

Cada una de las instalaciones que conforman el LIGO, ubicadas en Estados Unidos, consta de dos brazos de 4 kilómetros de longitud conectados en forma de “L“.

Los rayos láser viajan por cada brazo, chocan con espejos gigantes suspendidos y vuelven al punto de partida.

A medida que las ondas gravitacionales barren la Tierra, ello hace que los brazos del LIGO se estiren y compriman, desincronizando los haces láser.

Esto provoca interferencias características en la luz de los dos haces láser, revelando la presencia de ondas gravitacionales.

Sin embargo, el ruido cuántico que se esconde en el interior de los tubos de vacío por los cuales circulan los rayos láser del LIGO puede alterar la sincronización de los fotones e invalidar mediciones.

En 2015, el LIGO hizo historia al realizar la primera detección directa de ondas gravitacionales, que básicamente se manifiestan como arrugas en el espacio-tiempo.

En aquella ocasión, las ondas gravitacionales fueron generadas por un par de agujeros negros en colisión y fusión.

Desde entonces, el LIGO y su observatorio hermano en Europa, Virgo, han detectado ondas gravitacionales procedentes de docenas de fusiones entre agujeros negros, así como de colisiones entre estrellas de neutrones.

El éxito del LIGO radica en su capacidad para medir el estiramiento y la compresión del tejido del espacio-tiempo a escalas 10.000 billones de veces más pequeñas que el grosor de un cabello humano.

El límite cuántico que ha estado entorpeciendo al LIGO viene determinado por el hecho de que las leyes de la física cuántica dictan, a grandes rasgos, que partículas como los fotones aparecerán y desaparecerán aleatoriamente en el espacio vacío, creando una especie de niebla de ruido cuántico que aporta un nivel de incertidumbre a las mediciones láser del LIGO.

La compresión cuántica de la luz es un método para evitar el ruido cuántico o, más concretamente, para desplazarlo de un lugar a otro con el objetivo de realizar mediciones más precisas allá donde no se manifieste.

Aquí el término “compresión” hace referencia al hecho de que la luz puede comprimirse para que sea más precisa (la afecte menos la niebla de ruido cuántico) en un aspecto determinado, como por ejemplo su frecuencia, pero a cambio se vuelve más incierta en otro aspecto, como su potencia.

Esta limitación se basa en una ley fundamental de la mecánica cuántica llamada principio de incertidumbre, que establece que no se puede conocer tanto la posición como el momento de los objetos (o la frecuencia y la potencia de la luz) al mismo tiempo.

Desde 2019, los detectores gemelos del LIGO han estado comprimiendo la luz de tal manera que han mejorado su sensibilidad en el rango de frecuencias superior de las ondas gravitacionales que detectan.

Pero a cambio las mediciones han sido menos precisas en las frecuencias bajas.

En cambio, ahora, las nuevas cavidades ópticas dependientes de la frecuencia (tubos largos con la longitud de tres campos de fútbol) del LIGO permiten comprimir la luz de diferentes maneras, dependiendo de la frecuencia de las ondas gravitacionales que sea de interés en ese momento, reduciendo así el ruido en todo el rango de frecuencias del LIGO.

El avance logrado recientemente en el LIGO significa que los detectores pueden ahora sondear un mayor volumen del universo y se espera que detecten alrededor de un 60 por ciento más de fusiones entre objetos de gran masa que antes.

Haber superado el citado límite cuántico de este modo, ha incrementado extraordinariamente la capacidad del LIGO para estudiar los sucesos exóticos que emiten ondas gravitacionales.

“No podemos controlar la naturaleza, pero sí nuestros detectores“, resume Lisa Barsotti, investigadora del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) en Estados Unidos y miembro del equipo científico del LIGO.

Ella supervisó el desarrollo de la nueva tecnología para el LIGO.

Fuente: Physical Review X