Cómo los átomos congelados podrían ayudarnos a aprender más de las ondas gravitacionales

El prototipo MORE-100 Departamento de Energía de EE. UU.

Han pasado cuatro años desde la primera detección de ondas gravitacionales, esos extraños bamboleos en el espacio-tiempo que se producen cuando chocan dos objetos masivos en el espacio. Encontrar esa señal reivindicó la centenaria teoría de la relatividad general de Einstein, que dice que los objetos que se aceleran producen curvaturas en el espacio-tiempo que se propagan en ondas. Desde entonces, los científicos han observado estas señales docenas de veces, surgiendo de muchas partes diferentes del universo y causadas por tipos muy diferentes de colisiones cósmicas.

Pero desde esa histórica primera detección, los científicos han estado tratando de descifrar exactamente lo que tales observaciones pueden decirnos sobre el universo. Desafortunadamente, todos tienen una seria limitación: son una pequeña instantánea del momento en que los dos objetos chocan entre sí, y poco más. Peor aún, debido a que no tenemos avisos antes de que ocurran estos eventos, ni siquiera podemos usar otros instrumentos para estudiarlos. Sin un mayor contexto, las ondas gravitacionales que detectamos pueden decirnos mucho antes de que agoten su utilidad.

La clave para sacar más provecho de estas señales podría provenir de un nuevo experimento que toma forma en lo profundo de un pozo vertical de 100 metros (320 pies) en Fermilab en Batavia, Illinois. Este es MAGIS-100, un proyecto diseñado para ver si disparar átomos congelados con láser se puede usar para observar señales ultrasensibles que podrían estar extendiéndose a través del espacio-tiempo. Si tiene éxito, podría ayudar a marcar el comienzo de una nueva era de interferometría atómica que podría revelar algunos de los secretos de las ondas gravitacionales, la materia oscura, la mecánica cuántica y otros temas embriagadores.

Así es como debería funcionar MAGIS-100: los átomos se enfrían a una fracción por encima del cero absoluto (para mantenerlos estables) y luego se dejan caer por una cámara de vacío alojada dentro del eje. Se pulsa un láser por esta cámara entre los átomos en caída libre, y se mide el tiempo que tarda la luz en viajar de uno a otro. Debido a que la luz en el vacío viaja a una velocidad constante, este tiempo debería ser predecible con precisión. Presumiblemente, cualquier retraso sería causado por señales externas sensibles: ondas gravitacionales o potencialmente algo más.

Esto no es del todo diferente de cómo funcionan los interferómetros convencionales. En esencia, MAGIS-100 es una especie de versión reducida de los interferómetros LIGO que realizaron las primeras detecciones de ondas gravitacionales en 2015. La diferencia es que LIGO usa espejos estacionados a varios kilómetros de distancia en lugar de átomos. Estos espejos son susceptibles a las perturbaciones causadas por las perturbaciones en el suelo, lo que hace que sea más difícil distinguir las señales reales del ruido falso. En teoría, un átomo en caída libre no se verá afectado de esta manera.

El físico de la Universidad de Stanford, Jason Hogan, uno de los líderes del proyecto, compara la tecnología detrás de MAGIS-100 con un híbrido de un interferómetro y un reloj atómico. Estos átomos básicamente actúan como cronómetros extremadamente buenos que mantienen el tiempo en la propagación de la luz y buscan fluctuaciones causadas por otras señales, dice.

La comparación del reloj atómico tiene sentido. Mientras que el predecesor de 10 metros del MAGIS-100 usaba átomos de rubidio, el instrumento actual usará átomos de estroncio, que se usan actualmente en los mejores relojes atómicos del mundo. Son menos sensibles a los campos magnéticos externos que otros átomos, lo que significa que pierden un segundo durante la vida útil del universo, dice Hogan.

La esperanza es que una futura versión más grande de MAGIS-100 pueda detectar eventos de ondas gravitacionales que quedan fuera del alcance de los grandes proyectos como LIGO o Virgo, que tiene su sede en Italia.

LIGO se limita a medir señales en frecuencias entre 10 hercios y 1 kilohercio. Eso significa que solo puede captar eventos masivos como las fusiones entre dos agujeros negros o dos estrellas de neutrones . Al comienzo de esos eventos, se emiten ondas gravitacionales a frecuencias inferiores a 10 Hz a medida que los objetos comienzan a orbitar unos alrededor de otros. Cuanto más se acercan, más rápido orbitan (cerca de 300 órbitas por segundo), girando tan rápido que eventualmente producen ondas gravitacionales de más de 10 Hz. Estos eventos de explosión duran alrededor de 100 segundos antes de que se complete la fusión y las ondas gravitacionales se reducen gradualmente a frecuencias mucho más bajas. Lo que LIGO puede ver es en realidad solo el final de un largo proceso que comienza con mucha anticipación.

Mientras tanto, la interferometría atómica podría medir frecuencias desde 10 Hz hasta 100 MHz o menos. Podría detectar ondas gravitacionales más pequeñas emitidas meses o incluso un año antes de un evento de explosión. Esto no solo ayudaría a revelar una imagen más completa de cómo ocurren estos fenómenos más grandes y por qué, sino que también podría advertir a los científicos dónde y cuándo ocurrirán. Eso compraría tiempo para instalar equipos que pudieran observarlos por otros medios, incluidas ondas de radio, luz óptica, infrarrojos, radiación ultravioleta, rayos X y rayos gamma.

El escenario de mis sueños, dice Hogan, es hacer una detección de una fuente en la banda media, como una estrella de neutrones o un agujero negro binario; averiguar de dónde viene en el cielo; y dé a todos una fecha, hora y lugar para señalar sus otros instrumentos. Es posible que podamos ver esta fusión en tiempo real.

Ser capaz de captar estas frecuencias más bajas podría significar que también podrían estudiarse las ondas gravitacionales emitidas por fenómenos más silenciosos y menos masivos. Esto podría darnos la oportunidad de responder algunas preguntas cosmológicas sobre cómo se formó y evolucionó el universo primitivo, dice Hogan.

Por ejemplo, la interferometría atómica también podría tener un impacto en la búsqueda de materia oscura. Algunas teorías sugieren que la materia oscura es un material de masa ultrabaja que se comporta más como una onda electromagnética. Su presencia podría conducir a pequeñas interacciones que causarían efectos de energía medibles del orden de aproximadamente 1 Hz. Hogan y sus colegas están ansiosos por probar si MAGIS-100, o una versión más grande, podría detectar estas señales y posiblemente brindar una visión directa de la materia oscura.

Tienes dos objetivos de investigación que se pueden perseguir al mismo tiempo con el mismo detector, dice Oliver Buchmueller, uno de los líderes de la Red y Observatorio Interferométrico Atómico (AION) proyecto en el Reino Unido, una propuesta similar a MAGIS. Es una forma extremadamente intrigante de matar dos pájaros de un tiro.

Todo esto es especulativo por ahora. MAGIS-100 es solo un prototipo experimental. Un interferómetro atómico tendría que tener más de un kilómetro de largo para ser lo suficientemente sensible como para hacer descubrimientos relacionados con las ondas gravitacionales. Hogan dice que él y sus colegas ya están redactando ideas para una versión de un kilómetro de largo y pensando en versiones satelitales de la tecnología, donde la interferometría atómica realmente podría brillar.

La física de Caltech, Rana Adhikari, que trabaja en LIGO, advierte que incluso si usa átomos en lugar de espejos, todavía está lidiando con cambios, extremadamente pequeños, pero aún problemáticos, en el campo de gravedad de la Tierra. Un interferómetro atómico basado en el espacio, por otro lado, sería efectivamente el instrumento más sensible jamás construido, capaz de observar ondas gravitacionales en las frecuencias más bajas imaginables. Esa sería la máxima sensibilidad lograda para este tipo de ciencia, dice Buchmueller.

Los investigadores de Stanford no son los únicos interesados ​​en esta tecnología, aunque ciertamente lideran el grupo. Además de AION, los grupos en Francia y China también están desarrollando sistemas de interferometría atómica, aunque con modificaciones (en Francia, por ejemplo, el dispositivo funciona horizontalmente). Así como LIGO usa tres detectores diferentes para confirmar las señales de ondas gravitacionales, Buchmueller espera que estos diferentes proyectos de interferometría atómica puedan validar los hallazgos de los demás y demostrar que la tecnología es real.

Hasta ahora, el equipo de Stanford está dando los toques finales al prototipo MAGIS-100 y construyendo las fuentes de átomos de estroncio. Por parte de Fermilab, la instalación está en marcha. Idealmente, veremos el aparato completamente instalado en el verano de 2021 y listo para operar ese otoño. Las pruebas se realizarán durante los siguientes tres años.

A más largo plazo, Buchmueller cree que también existe la oportunidad de que este trabajo influya en aplicaciones más allá de la búsqueda de ondas gravitacionales. La capacidad de construir sensores tan sensibles y reducirlos a dispositivos compactos podría eventualmente ser útil para la navegación de barcos o aplicaciones militares, dice.

Podríamos ver un futuro en el que un dispositivo portátil que pueda caber en un automóvil podría usarse para ayudar en la prospección de petróleo, buscar fallas estructurales o detectar terremotos con mucha anticipación, dice Adhikari. Podría ser que la interferometría atómica y sus tecnologías derivadas resulten mucho más beneficiosas para la humanidad a largo plazo, dice.

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