En la mayoría de los casos, detectar los efectos de la gravedad no es tan difícil. Los paracaidistas se apresuran hacia el suelo en el momento en que salen de un avión, y gracias a los telescopios espaciales, se puede ver la luz deformada en anillos deslumbrantes por agrupaciones masivas de galaxias. Pero ha resultado especialmente difícil detectar ondas gravitacionales, ondas en el espacio-tiempo desencadenadas por un poderoso evento cósmico.
contenido relacionado
- Estas golosinas espaciales incluyen una cara sonriente galáctica y una rosa interestelar
- No, no hemos detectado ondas gravitacionales (todavía)
La mayoría de los intentos hasta ahora han buscado la forma en que se espera que las ondas espacio-temporales influyan en la luz y la materia. Ahora los científicos en los EE. UU. E Israel creen que podríamos encontrar las olas más rápido y más barato si buscamos sus efectos en el tiempo en lugar del espacio.
La búsqueda de ondas gravitacionales ha estado en marcha desde 1916, cuando Albert Einstein predijo que deberían existir como parte de su teoría general de la relatividad. Expuso que el espacio-tiempo es como una tela, y lo que percibimos como gravedad es una curvatura en esa tela causada por objetos masivos. Como una bola de boliche suspendida en una manta, por ejemplo, nuestro enorme planeta Tierra curva el espacio-tiempo a su alrededor.
La teoría también sugiere que cuando se fusionan objetos muy masivos como los agujeros negros, la explosión gravitacional enviará ondas que se propagarán hacia afuera a través del espacio-tiempo. Detectarlos no solo continuaría validando la teoría de Einstein, sino que abriría una nueva ventana en el universo, porque los científicos podrían usar ondas gravitacionales para sondear eventos de otro modo invisibles en todo el cosmos. Pero la prueba de las ondas gravitacionales ha sido esquiva, en gran parte porque las ondas se debilitan a medida que viajan, y muchas fuentes de ondas gravitacionales se encuentran en el borde del universo, a miles de millones de años luz de distancia.
El año pasado, un experimento llamado BICEP2 afirmó haber detectado las débiles señales asociadas con un tipo de onda gravitacional primordial, producida por un brote repentino de crecimiento en el universo temprano. Sin embargo, el reclamo fue prematuro, ya que los análisis posteriores redujeron la confianza de que el equipo BICEP2 vio algo más que polvo en la Vía Láctea.
El observatorio planeado eLISA de la Agencia Espacial Europea, que se lanzará en 2034, está diseñado para detectar un tipo diferente de onda: ondas gravitacionales de rango miliherz o de baja frecuencia generadas por la fusión de pares de agujeros negros supermasivos. Los científicos han descubierto agujeros negros supermasivos en los centros de muchas galaxias grandes, incluida la nuestra. Se predice que la coalescencia de dos de estas galaxias emitirá ondas gravitacionales que pueden propagarse por todo el universo. Para encontrarlos, eLISA usará láseres para medir pequeños cambios en el espacio de una flota de naves espaciales que debería ocurrir cuando pasa una onda gravitacional.
En un nuevo artículo, Avi Loeb en el Centro Harvard-Smithsoniano de Astrofísica y Dani Maoz en la Universidad de Tel Aviv señalan que los recientes avances en el cronometraje podrían permitir que los relojes atómicos detecten ondas gravitacionales más rápido y más barato que eLISA. Esbozan una propuesta para una serie de relojes atómicos estacionados en diferentes puntos alrededor del sol que podrían detectar un fenómeno llamado dilatación del tiempo, cuando los efectos gravitacionales pueden hacer que el tiempo se desacelere.
Al igual que eLISA, su plan también requiere que las naves espaciales vuelen en formación y se comuniquen utilizando láseres. Pero en lugar de transmitir información sobre cambios en la distancia, los láseres realizarán un seguimiento de pequeñas discrepancias en el cronometraje entre relojes atómicos sincronizados instalados a bordo de la nave espacial.
Los cambios temporales pronosticados son pequeños: "Estamos hablando de una parte en un millón de billones en precisión de tiempo", dice Loeb. "Para detectar ese tipo de cambio, se necesita un reloj que no gane ni pierda solo una décima de segundo, incluso si fuera a operar durante 4.500 millones de años, o toda la edad de la Tierra".
Hasta hace poco, este tipo de precisión estaba más allá de la capacidad de los relojes atómicos que usan el elemento cesio, que son la base del estándar internacional actual de cronometraje. Pero a principios de 2014, los físicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) dieron a conocer un reloj atómico experimental de "celosía óptica" que estableció nuevos récords mundiales de precisión y estabilidad. Estos relojes funcionan a frecuencias ópticas y, por lo tanto, proporcionan una mayor precisión que los relojes atómicos de cesio, que dependen de las microondas para mantener la hora.
En teoría, los relojes atómicos ópticos pueden proporcionar la precisión necesaria para detectar los pequeños cambios de tiempo pronosticados a partir de las ondas gravitacionales. Loeb y Maoz argumentan que su diseño sería más simple y podría lograrse a menor costo, ya que requeriría láseres menos potentes que eLISA. Los relojes atómicos de menor precisión ya se están utilizando en los satélites GPS, por lo que Loeb cree que también debería ser posible enviar la nueva generación de relojes atómicos al espacio.
Dos naves espaciales ubicadas a la distancia correcta podrían detectar tanto el pico como el valle de una onda gravitacional que pasa. (Loeb et al., Arxiv.org) La mejor configuración sería un par de relojes atómicos instalados en naves espaciales gemelas que comparten la órbita de la Tierra alrededor del sol. Una nave espacial principal también estaría en órbita para coordinar las señales provenientes de los relojes. La nave con reloj debe estar separada por aproximadamente 93 millones de millas, aproximadamente la distancia entre la Tierra y el sol, o una unidad astronómica (UA).
"Esa es una buena coincidencia, porque una UA es aproximadamente igual a la mitad de una longitud de onda para una onda gravitacional [de baja frecuencia], como el tipo de científicos que piensan que al fusionar los agujeros negros supermasivos emiten", dice Loeb. En otras palabras, esa sería precisamente la distancia correcta para detectar tanto el pico como el valle de una onda gravitacional que pasa a través del sistema solar, por lo que los relojes atómicos ubicados en estos dos puntos experimentarían los mayores efectos de dilatación del tiempo.
Por ahora, tal misión no está en ningún banco de trabajo de la agencia espacial o propuesta de presupuesto. Pero Loeb espera que la idea desencadene un estudio más cuidadoso de las alternativas de eLISA. El proyecto eLISA "se benefició de décadas de discusión, por lo que deberíamos permitir que este diseño alternativo se estudie al menos durante unos meses antes de descartarlo".
Loeb agrega que existen numerosas aplicaciones prácticas para tener relojes atómicos más precisos en el espacio, como una mejor precisión del GPS y comunicaciones mejoradas. Él piensa que los primeros relojes de celosía óptica podrían ser lanzados por empresas con fines comerciales, en lugar de por agencias gubernamentales. "Si eso sucede, cualquier ciencia que saquemos de ella sería un subproducto", dice.
Jun Ye, físico de la Universidad de Colorado y miembro del NIST, dice que la propuesta de Loeb y Maoz "abre un nuevo frente intelectual" sobre el uso de relojes ópticos atómicos para probar la física fundamental, incluida la búsqueda de ondas gravitacionales. "Soy optimista sobre la mejora adicional de los relojes ópticos y su uso eventual en tales aplicaciones", dice Ye.
