Escuchando los cielos: el descubrimiento de las ondas gravitacionales demostró que Einstein tenía razón

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El evento fue trascendental, y la declaración que lo anunció al mundo llegó en un tono debidamente emocionado, mientras que también fue sobrio y directo: Damas y caballeros, ¡hemos... detectado... ondas gravitacionales! ¡Lo hicimos!

Con esas palabras, David Reitze, director ejecutivo del Observatorio de Ondas Gravitacionales con Interferómetro Láser (LIGO), reveló el descubrimiento a una sala repleta de periodistas en el Club Nacional de Prensa en Washington, DC, el 11 de febrero de 2016. (La detección real ocurrida el 14 de septiembre de 2015.)

El descubrimiento proporcionó la primera evidencia para respaldar la creencia de Albert Einstein en la existencia de ondas gravitacionales que formaba parte de su teoría general de la relatividad. Un nuevo campo de investigación científica, llamado astronomía de ondas gravitacionales, impulsó este notable logro en LIGO, mediante el uso de un dispositivo láser, llamado interferómetro, que incluye sensores de alta precisión, amplificadores operacionales y otros productos de Analog Devices, Inc. (ADI).

La fuente de la onda gravitatoria fue la colisión de dos agujeros negros, a 1.300 millones de años luz de la Tierra, lo que creó una potencia de onda gravitatoria 10 veces mayor que la energía radiada combinada de todas las estrellas del universo.

Descubrieron las ondas [gravitacionales] de Einstein 100 años después, y sucedió justo aquí, y aquí está la máquina que lo hizo, se maravilla David Kress, director de marketing técnico de ADI y ex alumno del MIT. No hay nada mejor, y sé que nuestras partes están en ello.

Escuchando el Universo

LIGO consta de dos observatorios e instalaciones, uno en Hanford, Washington y el otro en Livingston, Luisiana, los cuales comenzaron a operar en 2002. La Fundación Nacional de Ciencias (NSF) financió ese proyecto de física a gran escala, y estas instalaciones fueron entonces creado, construido y operado por Caltech y MIT. Los observatorios gemelos, que se encuentran entre los proyectos más grandes y ambiciosos financiados por la NSF hasta la fecha, fueron diseñados para observar ondas gravitacionales astrofísicas, que en realidad no se pueden ver. La única manera de detectar la existencia de ondas gravitatorias es escuchando los cielos.

Cada instalación de LIGO coloca un láser dentro de un vacío ultraalto, divide el láser en dos y envía cada haz por uno de los dos brazos de 2,5 millas colocados perpendicularmente entre sí. Luego, los rayos láser se reflejan en los espejos colocados en los extremos de los brazos.

Los interferómetros son herramientas de investigación que se utilizan habitualmente en la ciencia y la ingeniería. Funcionan fusionando dos o más fuentes de luz para crear un patrón de interferencia, que se puede medir y analizar. Los interferómetros de LIGO están diseñados para detectar mediciones demasiado pequeñas para obtenerlas mediante otros métodos.

Cuando pasa una onda gravitacional, altera el tiempo en el área circundante, provocando un movimiento diminuto de los brazos entre sí, del orden de 1/1000 del ancho de un protón. Eso cambia las fases relativas de la luz devuelta una vez que los dispositivos reciben los datos, liberando luz a un sensor óptico, lo que da como resultado una señal medible o chirrido.

Cuando piensas en un observatorio tradicional, obtienes una imagen mental de alguien mirando a través de un visor, mirando hacia el espacio a través de un telescopio diseñado para recibir luz, dice Rich Abbott, diseñador principal de circuitos analógicos en LIGO. Lo que hace LIGO, y lo que lo hace único, es que mide las ondas gravitacionales, que no se muestran como la luz. Para describir la excepcional sensibilidad del interferómetro de LIGO, lo compara con una balanza: si pudieras quitar toda la arena de todas nuestras playas en la Tierra y apilarla en la balanza, el detector LIGO es lo suficientemente sensible como para detectar la eliminación. de menos de un grano de arena.

Alto Rendimiento: Tecnología LIGO y ADI

LIGO utiliza una serie de tecnologías de circuitos integrados de ADI. Los interferómetros LIGO funcionan prediciendo y compensando todas las fuentes posibles de ruido ambiental y vibraciones. Eso significa que la salida de láser utilizada por el interferómetro debe permanecer ultraestable, con variaciones extremadamente leves en frecuencia y amplitud.

Por esa razón, el equipo de LIGO necesitaba un sistema de retroalimentación para medir adecuadamente la salida de luz mientras se controlaba la amplitud. Eso requería un amplificador de ruido ultra bajo con alto rendimiento. El equipo de LIGO eligió el amplificador operacional (o amplificador operacional) AD797 de ADI por sus capacidades de muy bajo ruido y baja distorsión. El amplificador operacional AD797 también se utiliza en aplicaciones de imágenes de sonar e infrarrojos, entre otros usos. Otros productos ADI también se utilizan en la tecnología LIGO:

• El sensor de temperatura de alta precisión AD590 de ADI estabiliza la frecuencia del láser y mide la temperatura promedio de la cámara de vacío de vidrio que alberga el láser.
• La salida en el láser puede acumularse rápidamente a kilovatios dentro de las cavidades resonantes de los brazos, distorsionando las mediciones. LIGO utiliza un amplificador operacional de alto voltaje ADA4700 para impulsar actuadores electrostáticos para mantener los espejos alineados.
• Los solenoides impulsan el sistema de suspensión de espejos de LIGO. En ese sistema, el chip AD736 RMS mide la entrega de energía a los solenoides, lo que permite cualquier inclinación, cabeceo y guiñada precisos y requeridos.

La estabilización de la amplitud del láser es una de las claves para su reconocimiento exitoso de las ondas gravitacionales porque las fluctuaciones podrían aparecer como señales, señala Abbott. Es por eso que necesitábamos una solución tan enfocada, que no fuera de variedad.

Demostrando a Einstein a través del rendimiento

La primera imagen de una señal de onda gravitacional real se detectó inicialmente en LIGO Livingston; luego, solo 7 milisegundos después, llegó al sitio de Hanford. El descubrimiento ocurrió durante la primera semana de uso de los nuevos detectores láser avanzados LIGO, que incluían las tecnologías de circuitos integrados de ADI. El equipo de LIGO estaba encantado de detectar las ondas gravitacionales tan pronto después de instalar el nuevo dispositivo, y que la señal fuera tan fuerte que resultaba inconfundible.

El retraso entre el descubrimiento de la señal de ondas gravitacionales y su presentación pública reflejó la necesidad del equipo de investigar y confirmar que, de hecho, era real. Durante varias semanas, los científicos de LIGO realizaron experimentos en ambos observatorios para descartar la posibilidad de que una anomalía instrumental o un problema de software causaran las señales. Finalmente, los científicos completaron lo que se conoce como análisis de correlación y acoplamiento, que concluyó que la señal solo podría haberse originado en el espacio profundo. Todo el personal de LIGO juró guardar secreto desde entonces hasta el anuncio público.

Posteriormente, se detectó una segunda onda gravitatoria el día de Navidad de 2015. Una vez más, los científicos investigaron a fondo y, tras confirmar el origen cósmico de la señal, anunciaron su detección el 15 de junio de 2016.

Cuando Einstein propuso la existencia de ondas gravitacionales y agujeros negros, creía que sería esencialmente imposible determinarlos realmente. El hecho de que los sensores ADI y otros dispositivos contribuyeron a la precisión de los interferómetros que finalmente lograron esta hazaña sigue siendo motivo de gran orgullo para quienes están involucrados en el desarrollo de la tecnología.

Analog Devices ha estado apoyando aplicaciones de precisión para observación de la Tierra, posicionamiento de comunicación espacial, vehículos de lanzamiento y exploración espacial durante más de 40 años, dice Bob Barfield, director de aeroespacial y defensa de ADI. Cuando piensas en lo que hay en el espacio y lo que está más allá de lo que sabemos en este momento, es alucinante. Algunas de las cosas que se están descubriendo, es emocionante pensar que estamos al borde de eso.

Para obtener más información y ver un video sobre el proyecto LIGO, visite www.analog.com/en/landing-pages/001/ligo.html?icid=ligo_en_hp .

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