Reanuda la revelación de los secretos del universo con detección mejorada de ondas gravitacionales

Cuando dos objetos masivos, como agujeros negros o estrellas de neutrones, se fusionan, deforman el espacio y el tiempo.

Los científicos han reactivado el Observatorio de ondas gravitacionales interferométricas láser mejorado (

After a three-year hiatus, scientists in the U.S. have just turned on detectors capable of measuring gravitational waves — tiny ripples in space itself that travel through the universe.

Unlike light waves, gravitational waves are nearly unimpeded by the galaxies, stars, gas, and dust that fill the universe. This means that by measuring gravitational waves, astrophysicists like me can peek directly into the heart of some of these most spectacular phenomena in the universe.

Since 2020, the Laser Interferometric Gravitational-Wave Observatory – commonly known as LIGO – has been sitting dormant while it underwent some exciting upgrades. These improvements will significantly boost the sensitivity of LIGO and should allow the facility to observe more-distant objects that produce smaller ripples in spacetime.

By detecting more events that create gravitational waves, there will be more opportunities for astronomers to also observe the light produced by those same events. Seeing an event through multiple channels of information, an approach called multi-messenger astronomy, provides astronomers rare and coveted opportunities to learn about physics far beyond the realm of any laboratory testing.

According to Einstein’s theory of general relativity, massive objects warp space around them.

Ripples in spacetime

According to Einstein’s theory of general relativity, mass and energy warp the shape of space and time. The bending of spacetime determines how objects move in relation to one another – what people experience as gravity.

Gravitational waves are created when massive objects like black holes or neutron stars merge with one another, producing sudden, large changes in space. The process of space warping and flexing sends ripples across the universe like a wave across a still pond. These waves travel out in all directions from a disturbance, minutely bending space as they do so and ever so slightly changing the distance between objects in their way.

Cuando dos objetos masivos, como un agujero negro o un estrella neutrón – se acercan, giran rápidamente uno alrededor del otro y producen ondas gravitacionales. El sonido en este NASA la visualización representa la frecuencia de las ondas gravitacionales.

Aunque los eventos astronómicos que producen ondas gravitacionales involucran algunos de los objetos más masivos del universo, el estiramiento y contracción del espacio es infinitesimalmente pequeño. Una fuerte onda gravitacional que atraviesa el vía Láctea solo puede cambiar el diámetro de toda la galaxia en tres pies (un metro).

Las primeras observaciones de ondas gravitacionales

Aunque Einstein lo predijo por primera vez en 1916, los científicos de esa época tenían pocas esperanzas de medir los pequeños cambios en la distancia postulados por la teoría de las ondas gravitacionales.

Alrededor del año 2000, los científicos de Caltech, el Instituto de Tecnología de Massachusetts y otras universidades de todo el mundo terminaron de construir lo que es esencialmente la regla más precisa jamás construida: el observatorio LIGO.

El detector LIGO en Hanford, Washington, usa láseres para medir el minúsculo estiramiento del espacio causado por una onda gravitacional. Crédito: Laboratorio LIGO

LIGO se compone de dos observatorios separadoscon uno ubicado en Hanford, Washington, y el otro en Livingston, Louisiana. Cada observatorio tiene la forma de una L gigante con dos brazos de 2,5 millas de largo (cuatro kilómetros de largo) que se extienden desde el centro de la instalación a 90 grados entre sí.

Para medir las ondas gravitacionales, los investigadores hacen brillar un láser desde el centro de la instalación hasta la base de la L. Allí, el láser se divide de modo que un rayo viaja por cada brazo, se refleja en un espejo y regresa a la base. Si una onda gravitacional pasa a través de los brazos mientras el láser está brillando, los dos rayos regresarán al centro en momentos ligeramente diferentes. Al medir esta diferencia, los físicos pueden discernir que una onda gravitacional atravesó la instalación.

LIGO comenzó a operar a principios de la década de 2000, pero no era lo suficientemente sensible para detectar ondas gravitacionales. Entonces, en 2010, el equipo de LIGO cerró temporalmente las instalaciones para realizar actualizaciones para aumentar la sensibilidad. La versión mejorada de LIGO comenzó recopilando datos en 2015 y casi inmediatamente ondas gravitacionales detectadas producido a partir de la fusión de dos agujeros negros.

Desde 2015, LIGO ha completado tres carreras de observación. La primera, ejecutar O1, duró unos cuatro meses; el segundo, O2, unos nueve meses; y el tercero, O3, funcionó durante 11 meses antes de la COVID-19 La pandemia obligó a cerrar las instalaciones. Comenzando con la ejecución de O2, LIGO ha estado observando conjuntamente con un observatorio italiano llamado Virgo.

Entre cada ejecución, los científicos mejoraron los componentes físicos de los detectores y los métodos de análisis de datos. Al final de la ejecución O3 en marzo de 2020, los investigadores de la colaboración LIGO y Virgo habían detectado alrededor de 90 ondas gravitacionales de la fusión de agujeros negros y estrellas de neutrones.

Los observatorios todavía aún no han alcanzado su máxima sensibilidad de diseño. Entonces, en 2020, ambos observatorios cerraron para actualizaciones. una vez más.

Las actualizaciones del equipo mecánico y los algoritmos de procesamiento de datos deberían permitir que LIGO detecte ondas gravitacionales más débiles que en el pasado. Crédito: LIGO/Caltech/MIT/Jeff Kissel

Haciendo algunas actualizaciones

Los científicos han estado trabajando en muchas mejoras tecnológicas.

Una actualización particularmente prometedora involucró la adición de un 1,000 pies (300 metros) cavidad óptica para mejorar un técnica llamada apretar. La compresión permite a los científicos reducir el ruido del detector utilizando las propiedades cuánticas de la luz. Con esta actualización, el equipo de LIGO debería poder detectar ondas gravitacionales mucho más débiles que antes.

mis compañeros y yo somos científicos de datos en la colaboración LIGO, y hemos estado trabajando en una serie de actualizaciones diferentes para software utilizado para procesar datos LIGO y los algoritmos que reconocen signos de ondas gravitacionales en esos datos. Estos algoritmos funcionan buscando patrones que coincidan modelos teóricos de millones de posibles eventos de fusión de agujeros negros y estrellas de neutrones. El algoritmo mejorado debería ser capaz de detectar más fácilmente los débiles signos de ondas gravitacionales del ruido de fondo en los datos que las versiones anteriores de los algoritmos.

Los astrónomos han capturado tanto las ondas gravitatorias como la luz producidas por un solo evento, la fusión de dos estrellas de neutrones. El cambio de luz se puede ver en el transcurso de unos días en el recuadro superior derecho. Crédito: NASA y ESA

Una era de alta definición de la astronomía

A principios de mayo de 2023, LIGO inició una breve prueba, denominada ejecución de ingeniería, para asegurarse de que todo funcionaba. El 18 de mayo, LIGO detectó ondas gravitacionales probables producido a partir de una estrella de neutrones que se fusiona en un agujero negro.

La carrera de observación de 20 meses de LIGO 04 será oficialmente comienza el 24 de mayo, y más tarde se le unirán Virgo y un nuevo observatorio japonés: el detector de ondas gravitacionales Kamioka, o KAGRA.

Si bien hay muchos objetivos científicos para esta carrera, hay un enfoque particular en la detección y localización de ondas gravitacionales en tiempo real. Si el equipo puede identificar un evento de ondas gravitacionales, averiguar de dónde provienen las ondas y alertar rápidamente a otros astrónomos sobre estos descubrimientos, les permitiría apuntar otros telescopios que recolectan luz visible, ondas de radio u otros tipos de datos en la fuente de la onda gravitatoria. Recopilación de múltiples canales de información sobre un solo evento: astrofísica multi-mensajero – es como añadir color y sonido a una película muda en blanco y negro y puede proporcionar una comprensión mucho más profunda de los fenómenos astrofísicos.

Los astrónomos solo han observado un único evento tanto en ondas gravitacionales como en luz visible hasta la fecha – la fusión de dos estrellas de neutrones vistas en 2017. Pero a partir de este único evento, los físicos pudieron estudiar la expansión del universo y confirmar el origen de algunos de los eventos más energéticos del universo conocidos como estallidos de rayos gamma.

Con Run O4, los astrónomos tendrán acceso a los observatorios de ondas gravitacionales más sensibles de la historia y, con suerte, recopilarán más datos que nunca. Mis colegas y yo tenemos la esperanza de que los próximos meses den como resultado una, o quizás muchas, observaciones de múltiples mensajeros que traspasarán los límites de la astrofísica moderna.

Escrito por Chad Hanna, Profesor de Física, Penn State.

Adaptado de un artículo publicado originalmente en La conversación.