Un espacio mejor y más grande

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La búsqueda de ondas en el universo que sacudan el espacio acaba de recibir un gran impulso. Un esfuerzo liderado por el MIT para construir un detector de ondas gravitacionales mejor y más grande recibirá 9 millones de dólares durante los próximos tres años de la Fundación Nacional de Ciencias. La inyección de fondos respaldará la fase de diseño de Cosmic Explorer, un observatorio de ondas gravitacionales de próxima generación que se espera que capte ondas en el espacio-tiempo desde lugares tan lejanos como el universo primitivo. Para ello, se prevé que los detectores del observatorio se extiendan a lo largo de una pequeña ciudad.

El diseño conceptual del observatorio se inspira en los detectores de LIGO, el Observatorio de ondas gravitacionales con interferómetro láser operado por el MIT y Caltech. LIGO “escucha” las ondas gravitacionales midiendo la sincronización de dos láseres que viajan desde el mismo punto, bajan por dos túneles separados y regresan. Cualquier diferencia en sus tiempos de llegada puede ser una señal de que una onda gravitacional pasó a través del detector en forma de L. LIGO incluye dos detectores gemelos, ubicados en diferentes lugares de los Estados Unidos. Un conjunto similar de detectores, Virgo, opera en Italia, junto con un tercero, KAGRA, en Japón.

En conjunto, esta red existente de detectores capta cada pocos días ondas de fuentes de ondas gravitacionales, como la fusión de agujeros negros y estrellas de neutrones. Los científicos creen que Cosmic Explorer debería aumentar esa frecuencia a una señal cada pocos minutos. La ciencia que surja de estas detecciones podría proporcionar respuestas a algunas de las preguntas más importantes de la cosmología.

MIT News habló con el director ejecutivo de Cosmic Explorer, Matthew Evans, profesor de física en el MIT, y con el investigador co-principal Salvatore Vitale, profesor asociado de física en el MIT, sobre lo que esperan escuchar del universo primitivo.

P:Explíquenos la idea general de Cosmic Explorer: ¿qué lo convertirá en un detector de ondas gravitacionales de “próxima generación”?

Evans: Cosmic Explorer es, en cierto sentido, un LIGO gigante. Los detectores LIGO tienen cuatro kilómetros de largo por cada brazo, y Cosmic Explorer tendrá 40 kilómetros de lado, es decir, 10 veces más grande. Y la señal que recibimos de una onda gravitacional es esencialmente proporcional al tamaño de nuestro detector, y por eso estas cosas son tan grandes.

Cuanto más grande, mejor, hasta cierto punto. En algún momento, has hecho coincidir la longitud del detector con la longitud de onda de las ondas gravitacionales entrantes. Y luego, si continúas haciéndolo más grande, los rendimientos en términos de producción científica son realmente decrecientes. También es difícil encontrar sitios para construir un detector tan grande. Cuando creces demasiado, la curvatura de la Tierra comienza a convertirse en un problema porque el rayo láser del detector tiene que viajar en línea recta, y eso es menos posible cuando un detector es tan grande que tiene que curvarse con la Tierra.

En términos de buscar posibles sitios, afortunadamente ahora, a diferencia de lo que ocurría en la década de 1980, cuando se buscaban sitios para LIGO, hay muchos datos públicos disponibles digitalmente. Así que ya tenemos las primeras versiones de búsquedas algorítmicas que pueden buscar en EE.UU. sitios candidatos potenciales. Estamos buscando lugares que sean algo planos pero también un poco en forma de cuenco en términos de altitud porque eso evitaría alguna excavación. Y estamos buscando lugares que no estén en medio de ciudades o lagos, o en las montañas, y que no estén muy lejos de regiones pobladas para que podamos imaginar que los científicos entren y salgan. Nuestra primera evaluación muestra que hay algunos candidatos potenciales, especialmente en la mitad occidental de EE. UU.

Consideramos que Cosmic Explorer es de “próxima generación” en el sentido de que reemplazará a los observatorios existentes. Si construyéramos dos observatorios Cosmic Explorer en los EE. UU., que es nuestro concepto de referencia, entonces probablemente cerraríamos los dos observatorios LIGO. Probablemente sea a mediados de la década de 2030, dependiendo de cómo vaya la financiación. Por lo tanto, todavía queda un camino en el futuro. Pero creemos que cambiaría el nombre del juego en términos de la ciencia que podemos hacer.

P: ¿Y cuál podría ser esa ciencia? ¿Qué cosas nuevas pudiste ver y qué grandes preguntas podría responder?

Vitali: Nos permitirá ver fuentes que se encuentran más alejadas. Y por fuentes me refiero a cosas que estamos viendo hoy, como la colisión de agujeros negros y estrellas de neutrones. Ahora, con la sensibilidad de LIGO, podemos ver fuentes en nuestro patio trasero, cosmológicamente hablando, hace aproximadamente mil quinientos millones de años. Eso parece muy lejano, pero en comparación con el tamaño del universo, que tiene entre 13 y 14 mil millones de años, está bastante cerca. Eso significa que nos estamos perdiendo pasos importantes de la historia del universo, uno de los cuales es el “Mediodía Cósmico”, donde se formaron la mayoría de las estrellas del universo. Entonces el universo tenía alrededor de 3 mil millones de años. Sería fantástico acceder a fuentes que se formaron en esa época, porque nos enseñaría mucho sobre cómo los agujeros negros y las estrellas de neutrones surgen de las estrellas.

Más allá de eso, cuando el universo tenía alrededor de mil millones de años, durante la Época de Reionización (cuando los átomos se ionizaron y las galaxias comenzaron a formarse), todavía está demasiado lejos para que lo veamos. Cosmic Explorer sería sensible a las fusiones de agujeros negros y estrellas de neutrones hasta esas distancias, e incluso más allá.

También podremos ver las fuentes de una forma mucho más clara y ruidosa. Hoy en día, LIGO podría detectar algo con una relación señal-ruido de 30, algo que es bastante ruidoso pero difícil de caracterizar. Esa misma señal, procedente de Cosmic Explorer, tendría una relación señal/ruido de 3.000. Entonces, cualquier cosa que requiera mediciones realmente sensibles, como probar si la relatividad de Einstein es correcta, lo que ahora podemos hacer pero con grandes incertidumbres, sería una prueba más precisa con Cosmic Explorer.

Finalmente, muchas mediciones mejoran cuantas más fuentes tenga. Creemos que Cosmic Explorer podría detectar cientos de miles de binarios de agujeros negros y hasta un millón de fusiones de estrellas de neutrones por año.

Evans: Ser capaz de detectar más fuentes le permite detectar objetos que se encuentran en las esquinas del espacio de parámetros, que de otro modo no detectaría, como giros muy grandes del agujero negro o proporciones de masa muy altas. Si tiene cientos de miles de fuentes, puede detectar estos bichos raros.

P:¿Qué sigue para el proyecto en el futuro?

Evans: Durante los próximos tres años, haremos un diseño completo, de arriba hacia abajo, donde elegimos todos los parámetros del instrumento e incluimos la infraestructura que lo rodea, como el sistema de vacío, y terminamos haciendo diseños arquitectónicos para los edificios. Y todo esto debe conducir a una estimación de costes bastante sólida, tanto para la construcción como para el diseño preliminar. En ese punto tendremos que tener sitios identificados, tener diseños arquitectónicos y de infraestructura sólidos, y el diseño del instrumento estará al nivel de los aspectos prácticos.

El entorno en el que estamos haciendo esto incluye otros detectores de próxima generación en desarrollo, como la misión espacial LISA, dirigida por la Agencia Espacial Europea y que se espera que se lance a mediados de la década de 2030. También está el Telescopio Einstein en Europa. Todos estos grupos son colegas más que competidores, con quienes anticipamos trabajar. En este campo se llega más lejos trabajando juntos. Es una especie de esfuerzo global construir estos detectores de ondas gravitacionales de próxima generación, y es ciencia global.

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