Vista aérea del detector de ondas gravitacionales Virgo ubicado en el municipio de Cascina, cerca de la ciudad de Pisa en Italia. Virgo es un interferómetro láser Michelson gigante de 3 km de largo con hombros que complementa dos detectores LIGO idénticos de 4 km.En los últimos tres años, la humanidad tiene un nuevo tipo de astronomía, que difiere de los tradicionales. Para estudiar el universo, ya no solo captamos la luz con un telescopio o neutrino usando detectores enormes. Además, por primera vez, también podemos ver las ondas inherentes al espacio mismo: ondas gravitacionales.
Los detectores LIGO ahora complementados por
Virgo , y pronto serán complementados por
KAGRA y LIGO India, tienen brazos extremadamente largos que se expanden y contraen a medida que pasan las ondas gravitacionales, produciendo una señal detectable. ¿Pero cómo funciona? Nuestro lector pregunta:
Si las longitudes de onda de la luz se estiran y contraen junto con el espacio-tiempo mismo, ¿cómo puede LIGO detectar ondas gravitacionales? Después de todo, expanden y comprimen los dos brazos del detector, por lo que las ondas dentro de ellos también deben expandirse y contraerse. ¿El número de longitudes de onda que se ajustan al hombro no permanecerá constante, como resultado de lo cual el patrón de interferencia no cambiará y las ondas no serán detectables?
Esta es una de las paradojas más comunes que la gente piensa sobre las ondas gravitacionales. ¡Vamos a resolverlo y encontrar una solución!
De hecho, un sistema como LIGO o LISA es solo un láser cuyo haz pasa a través del divisor y recorre los mismos caminos perpendiculares, y luego converge nuevamente en uno y crea una imagen de interferencia. Con un cambio en la longitud del hombro, la imagen también cambia.El detector de ondas gravitacionales funciona así:
- Se crean dos hombros largos de la misma longitud, en los que se ajusta un número entero de ciertas longitudes de onda de luz.
- Se elimina toda la materia de los hombros y se crea un vacío ideal.
- La luz coherente de la misma longitud de onda se divide en dos componentes perpendiculares.
- Uno va sobre un hombro, el otro sobre el otro.
- La luz se refleja desde los dos extremos de cada hombro muchas miles de veces.
- Luego se recombina, creando un patrón de interferencia.
Si la longitud de onda sigue siendo la misma y la velocidad de transmisión de la luz en cada hombro no cambia, la luz que se mueve en direcciones perpendiculares llegará al mismo tiempo. Pero si en una de las direcciones hay viento de frente o de cola, la llegada se retrasará.Si la imagen de interferencia no cambia en absoluto en ausencia de ondas gravitacionales, sabrá que el detector está configurado correctamente. Sabes que tomaste en cuenta el ruido y que el experimento está organizado correctamente. Durante casi 40 años, LIGO ha estado luchando con tal tarea: tratar de calibrar correctamente su detector y llevar la sensibilidad al punto en el que el experimento puede reconocer las verdaderas señales de las ondas gravitacionales.
La magnitud de estas señales es increíblemente pequeña y, por lo tanto, fue muy difícil lograr la precisión necesaria.
Sensibilidad LIGO en función del tiempo en comparación con la sensibilidad del experimento LIGO avanzado. Las explosiones aparecen debido a varias fuentes de ruido.Pero habiendo logrado lo que desea, ya puede comenzar a buscar una señal real. Las ondas gravitacionales son únicas entre todos los diferentes tipos de radiación que aparecen en el universo. No interactúan con las partículas, sino que son ondas de la estructura misma del espacio.
Esto no es un monopolio (carga de transferencia) y no una radiación dipolo (como las oscilaciones de campos electromagnéticos), sino la forma de radiación cuadrupolo.
Y en lugar de campos eléctricos y magnéticos de coincidencia de fases que se ejecutan perpendicularmente a la dirección del movimiento de la onda, las ondas gravitacionales se estiran y comprimen alternativamente el espacio por el que pasan en direcciones perpendiculares.
Las ondas gravitacionales se propagan en una dirección, estirando y comprimiendo alternativamente el espacio en direcciones perpendiculares, determinado por la polarización de la onda gravitacional.Por lo tanto, nuestros detectores están diseñados de esa manera. Cuando una onda gravitacional pasa a través de un detector tipo LIGO, uno de sus hombros se contrae y el otro se expande, y viceversa, dando una imagen de oscilación mutua. Los detectores están especialmente ubicados en ángulos entre sí y en diferentes lugares del planeta, de modo que, independientemente de la orientación de la onda gravitacional que los atraviesa, esta señal no afecta al menos a uno de los detectores.
En otras palabras, independientemente de la orientación de la onda gravitacional, siempre habrá un detector en el que un brazo se acorta y el otro se alarga de una manera oscilatoria predecible cuando la onda pasa a través del detector.
¿Qué significa esto en el caso de la luz? La luz siempre se mueve a una velocidad constante c, de 299 792 458 m / s. Esta es la velocidad de la luz en el vacío, y hay cámaras de vacío dentro de los hombros LIGO. Y cuando una onda gravitacional atraviesa cada uno de los hombros, alargándola o acortándola, también alarga o acorta la longitud de onda de la luz en su interior en una cantidad adecuada.
A primera vista, tenemos un problema: si la luz se alarga o se acorta junto con el alargamiento o el acortamiento de los hombros, el patrón de interferencia general no debería cambiar con el paso de la ola. Esto es lo que nos dice la intuición.
Cinco fusiones de agujeros negros con agujeros negros descubiertos por LIGO (y Virgo), y otra sexta señal de importancia insuficiente. Hasta ahora, el BH más masivo observado en LIGO tenía 36 masas solares antes de la fusión. Sin embargo, las galaxias tienen agujeros negros supermasivos, con masas que exceden el solar en millones o incluso miles de millones de veces, y aunque LIGO no los reconoce, LISA puede hacer esto. Si la frecuencia de onda coincide con el tiempo que el haz pasa en el detector, podemos esperar extraerlo.Pero esto no funciona así. La longitud de onda, que depende en gran medida de los cambios en el espacio cuando una onda gravitacional la atraviesa, no afecta la imagen de interferencia. ¡Solo es importante el tiempo que tarda la luz en pasar por los hombros!
Cuando una onda gravitacional atraviesa uno de los hombros, cambia la longitud efectiva del hombro y cambia la distancia que cada uno de los rayos necesita viajar. Un hombro se alarga, aumentando el tiempo de paso, el otro se acorta, reduciéndolo. Con un cambio relativo en el tiempo de llegada, vemos el patrón de oscilación, recreando los cambios del patrón de interferencia.
La figura muestra la reconstrucción de cuatro señales específicas y una potencial (LVT151012) de ondas gravitacionales detectadas por LIGO y Virgo el 17 de octubre de 2017. La detección de agujero negro más reciente, GW170814, se realizó en los tres detectores. Presta atención a la brevedad de la fusión, desde cientos de milisegundos hasta 2 segundos como máximo.Después de la reunión de los rayos, aparece una diferencia en el tiempo de su viaje y, por lo tanto, un cambio detectable en el patrón de interferencia. La propia colaboración de LIGO ha
publicado una analogía interesante de lo que está sucediendo:
Imagine que desea comparar con un amigo cuánto tiempo le llevará llegar al final del brazo del interferómetro y viceversa. Usted acepta viajar a una velocidad de un kilómetro por hora. Al igual que los rayos láser LIGO, usted abandona estrictamente la estación de la esquina al mismo tiempo y se mueve a la misma velocidad. Debe reunirse nuevamente estrictamente al mismo tiempo, estrechar la mano y continuar moviéndose. Pero digamos que cuando ha caminado hasta la mitad del camino, pasa una onda gravitacional. Uno de ustedes ahora necesita caminar una distancia mayor, y el otro menos. Esto significa que uno de ustedes volverá antes que el otro. Extiende la mano para darle la mano a tu amiga, ¡pero ella no está allí! ¡Tu apretón de manos fue interrumpido! Dado que conoce la velocidad de su movimiento, puede medir el tiempo que le tomará a su amigo regresar y determinar qué tan lejos tuvo que moverse para llegar tarde.
Cuando hace esto con luz y no con un amigo, no medirá el retraso en la llegada (ya que la diferencia será de unos
10-19 metros), sino el cambio en el patrón de interferencia observado.
Cuando dos hombros son del mismo tamaño y las ondas gravitacionales no los atraviesan, la señal será cero y el patrón de interferencia es constante. Con un cambio en la longitud de los brazos, la señal resulta ser real y oscila, y el patrón de interferencia cambia en el tiempo de una manera predecible.Sí, de hecho, la luz experimenta un cambio rojo y azul cuando una onda gravitacional pasa a través de su lugar. Con la compresión del espacio, la longitud de onda de la luz también se comprime, lo que la hace azul; con estiramiento y la ola se estira, lo que la hace más roja. Sin embargo, estos cambios son a corto plazo y sin importancia, al menos en comparación con la diferencia en la longitud del camino que debe pasar la luz.
Esta es la clave de todo: la luz roja con una onda larga y la luz azul con una corta pasan el mismo tiempo superando la misma distancia, aunque una onda azul tomará más crestas y caídas. La velocidad de la luz en el vacío no depende de la longitud de onda. Lo único que importa para el patrón de interferencia es qué distancia recorrió la luz.
Cuanto más larga sea la longitud de onda del fotón, menor será su energía. Pero todos los fotones, independientemente de la longitud de onda y la energía, se mueven a la misma velocidad: la velocidad de la luz. El número de longitudes de onda requeridas para cubrir una cierta distancia puede variar, pero el tiempo que lleva mover la luz será el mismo.Es el cambio en la distancia que recorre la luz cuando una onda gravitacional pasa a través del detector lo que determina el cambio observado en el patrón de interferencia. Cuando la onda pasa a través del detector, en una dirección el hombro se alarga, y en la otra se acorta simultáneamente, lo que conduce a un cambio relativo en la longitud de los caminos y el tiempo de paso de la luz a través de ellos.
A medida que la luz viaja a través de ellos a la velocidad de la luz, los cambios en las longitudes de onda son irrelevantes; cuando se encuentren, estarán en un lugar en el espacio-tiempo y sus longitudes de onda serán idénticas. Lo importante es que un rayo de luz pasará más tiempo en el detector, y cuando se vuelvan a encontrar, ya no estarán en fase. ¡De aquí proviene la señal LIGO, y así es como detectamos las ondas gravitacionales!
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