Todavía es sólo un plan, pero pronto un nuevo telescopio podría medir ondas gravitacionales. Las ondas gravitacionales son algo así como las ondas sonoras del universo. Se crean, por ejemplo, cuando chocan agujeros negros o estrellas de neutrones.
El futuro detector de ondas gravitacionales, el Telescopio Einstein, utilizará la última tecnología láser para comprender mejor estas ondas y, por tanto, nuestro universo. Un posible lugar para la construcción de este telescopio es el triángulo fronterizo entre Alemania, Bélgica y los Países Bajos.
Cómo el universo produce oro
El verano de 2017 fue un día muy emocionante para los astrónomos: el 17 de agosto, tres detectores de ondas gravitacionales registraron una nueva señal. Cientos de telescopios de todo el mundo apuntaron inmediatamente al punto de origen sospechoso y efectivamente se vio allí un cuerpo celeste luminoso. Por primera vez se detectó la colisión de dos estrellas de neutrones tanto ópticamente como como onda gravitacional.
Las estrellas de neutrones son algo muy especial en el universo: son estrellas quemadas que ya no emiten radiación visible. Pesan un poco más que nuestro Sol, pero comprimen su masa en una esfera de menos de 20 kilómetros de diámetro. La fuerza de su colisión es tan grande que los núcleos atómicos se rompen, se expulsan cantidades gigantescas de masa y se pueden formar átomos pesados como el oro.
«En comparación con la masa de las estrellas de neutrones, no se crea mucho oro, sólo unas pocas masas lunares», explica sonriendo el profesor Achim Stahl, astrofísico de la Universidad RWTH de Aquisgrán.
«Pero los investigadores están bastante seguros de que la mayor parte del oro del universo se creó en explosiones tan gigantescas». Por tanto, el anillo de oro que llevamos en el dedo ya ha pasado por la historia galáctica.
Los detectores de ondas gravitacionales abren un nuevo capítulo en astronomía
Gracias a los detectores de ondas gravitacionales, ya sabemos más sobre las colisiones de estrellas de neutrones. Según los estándares galácticos, estos son procesos muy rápidos. En el pasado, si teníamos mucha suerte, podíamos registrar explosiones de rayos gamma que duraban menos de un segundo. Cuando los agujeros negros chocan, la señal que se puede medir con los detectores de ondas gravitacionales actuales es muy corta.
La señal de la primera onda gravitacional medida en 2015 duró poco más de 0,2 segundos. Estas ondas se crean cuando objetos ultrapesados orbitan entre sí en el universo y luego chocan.
La señal detectada en el verano de 2017 duraba 100 segundos, por lo que inmediatamente quedó claro que debía tratarse de algo nuevo. Poco después de que cesara la señal gravitacional, se registró el estallido de rayos gamma; Más tarde se observó el resplandor de la explosión en diferentes rangos de longitud de onda y se detectaron trazas de elementos pesados como oro y platino.
El evento fue identificado como una colisión de dos estrellas de neutrones. La observación simultánea de ondas gravitacionales y señales electromagnéticas abrió un nuevo capítulo en la astronomía observacional. «De hecho, la señal óptica fue decisiva para encontrar la estrella en el cielo», explica el astrofísico Stahl.
Nuestros ‘oídos’ al universo
Durante siglos, la astronomía se limitó a la observación de la radiación visible. Con una mejor comprensión del espectro electromagnético, los astrónomos añadieron muchos nuevos métodos de observación, detectaron ondas de radio y ampliaron significativamente el conocimiento de la humanidad mediante cálculos y simulaciones.
Cuando Albert Einstein postuló su teoría general de la relatividad hace unos cien años, también se le ocurrió la idea de que podrían existir ondas que no tuvieran nada que ver con el espectro electromagnético. De forma similar a una onda sonora, debían hacer «oscilar» ligeramente una muestra de prueba situada a gran distancia.
Grandes masas aceleradas deberían enviar tales ondas a través del espacio. En la Tierra, sin embargo, la oscilación causada por las ondas gravitacionales es tan débil que el movimiento es mucho menor que el diámetro de un átomo. Sin embargo, ahora es posible medir las ondas gravitacionales. Esta es una nueva era para los astrónomos.
Esto es posible gracias a los llamados interferómetros láser. Constan de dos brazos con espejos en los extremos. Un rayo láser ingresa al interferómetro y se divide en un divisor de rayo ubicado en el medio.
Viaja hasta los espejos finales en los dos brazos y regresa al divisor de haz. Si cambia la posición del espejo al final de un brazo, el tiempo de tránsito del respectivo rayo láser varía ligeramente. Esta cantidad se puede medir comparando el rayo láser del espejo afectado con un rayo láser del otro brazo del interferómetro donde el espejo no se ha movido.
La precisión de esta medición en los detectores de ondas gravitacionales actuales siempre sorprende, incluso para los físicos: «Medimos con una precisión de menos de una dosmilésima parte del diámetro de un protón», explica el profesor Stahl.
«Es irónico que necesitemos precisión en la escala de las partículas más pequeñas que conocemos para detectar los mayores acontecimientos del universo, la fusión de agujeros negros», añade.
Los primeros intentos de medir las ondas gravitacionales se realizaron en los años 60. Sin embargo, sólo la actual segunda generación de dispositivos de medición láser puede alcanzar esta precisión extrema y ya ha detectado alrededor de 100 colisiones de agujeros negros o estrellas de neutrones.
El telescopio Einstein
El profesor Stahl es miembro de la comunidad alemana del Telescopio Einstein y actualmente está trabajando en la próxima generación de detectores de ondas gravitacionales. Los dispositivos de medición de esta tercera generación deberían ser diez veces más sensibles que los que se utilizan actualmente. El previsto observatorio de ondas gravitacionales ha recibido el nombre de «Telescopio Einstein» en honor al fundador de la teoría general de la relatividad.
«Queremos examinar con él un área mil veces mayor de lo que hoy es posible en el universo para las ondas gravitacionales. Y luego deberíamos encontrar muchas más fuentes para las cuales los instrumentos actuales no son lo suficientemente sensibles», explica el astrofísico . Esto también se aplica a los objetos más pesados que emiten ondas gravitacionales a frecuencias más bajas.
El Telescopio Einstein constará de tres detectores anidados. Cada uno de estos detectores contará con dos interferómetros láser con brazos de 10 km de largo. Para proteger al máximo las interferencias, el observatorio se construirá a 250 m bajo tierra.
Sin embargo, los científicos ya piensan mucho más allá. «El Telescopio Einstein trabajará junto con una nueva e innovadora generación de observatorios en el espectro electromagnético, desde la radio hasta los rayos gamma. A esto lo llamamos astronomía de múltiples mensajeros», describe el profesor Stahl la visión.
«Además de los ‘oídos’ para las ondas gravitacionales, también tendremos ‘ojos’ que detectan señales muy diferentes. Juntos, permitirán una transmisión en vivo de eventos cósmicos que nadie ha visto antes».
Hasta ahora, se podía mirar el cielo al azar y esperar un breve destello. En el futuro, los detectores de ondas gravitacionales funcionarán continuamente y «escucharán» cuando aparezca una señal. Si varios de estos detectores captan la señal, se puede calcular su región de origen y alinear otros telescopios ópticos con ella. Como ocurrió con la colisión de estrellas de neutrones en el verano de 2017, entonces serán posibles varias mediciones sistemáticas.
Los científicos esperan obtener de esto muchos conocimientos nuevos, por ejemplo sobre el universo primitivo o sobre las colisiones en las que se formaron todos los elementos más pesados que el hierro.
Detectores en Europa y en todo el mundo
Mediciones tan complejas requieren cooperación global. En consecuencia, en EE.UU. también se está desarrollando un diseño conceptual de un detector de tercera generación.
El «Cosmic Explorer» formará una red global de detectores con el Telescopio Einstein. En 2021 los europeos incluyeron el Telescopio Einstein en la hoja de ruta del Foro Estratégico Europeo sobre Infraestructuras de Investigación (ESFRI). ESFRI se fundó en 2002 para permitir a los gobiernos nacionales, la comunidad científica y la Comisión Europea desarrollar y apoyar conjuntamente un concepto de infraestructuras de investigación en Europa.
Con su inclusión en la hoja de ruta del ESFRI, el Telescopio Einstein ha entrado en la fase de preparación. El presupuesto se ha estimado en 1.800 millones de euros. Se espera que la operación cueste alrededor de 40 millones de euros al año. Está previsto que la construcción comience en 2026 y que las observaciones comiencen en 2035.
Actualmente se están realizando estudios para seleccionar un sitio. Se espera una decisión en 2024. Actualmente se están investigando dos posibles lugares: uno en Cerdeña y otro en Euregio Mosa-Rin, en el triángulo fronterizo entre Alemania, Bélgica y los Países Bajos. Al evaluar los sitios, los socios de investigación no solo deben tener en cuenta la viabilidad de la construcción, sino también predecir hasta qué punto el entorno local afectará la sensibilidad y el funcionamiento del detector.
El proyecto promete numerosos beneficios para la región afectada: una gran parte de los costes de 1.800 millones se destinarán a medidas de construcción. Se necesitan tres veces diez kilómetros de túneles y doce veces diez kilómetros de tuberías de vacío, por citar sólo dos ejemplos. Un número considerable de empresas ya están involucradas en el proyecto.
Un gran equipo ya está trabajando en los equipos de medición reales en varios lugares. Además de la Universidad RWTH de Aquisgrán, también se encuentra el Instituto Fraunhofer de Tecnología Láser ILT de Aquisgrán. Actualmente se están desarrollando allí nuevos láseres, sin los cuales las nuevas mediciones no serían posibles.
«Lo que estamos desarrollando aquí para su uso potencial en el Telescopio Einstein es único en su diseño y está destinado exclusivamente a medir ondas gravitacionales», confirma el director del proyecto Patrick Baer del Fraunhofer ILT, que como líder de la unidad de investigación en la comunidad del Telescopio Einstein representa a grupos de investigación. del Instituto Fraunhofer de Tecnología Láser ILT y de Tecnología de Producción IPT, así como de las Cátedras de Tecnología Láser LLT y de Tecnología de Sistemas Ópticos de la Universidad RWTH de Aquisgrán.
«Sin embargo, en una versión simplificada, la tecnología láser desarrollada para este campo de aplicación también puede ser de interés para otras aplicaciones, por ejemplo, en la tecnología cuántica. Pero los conocimientos adquiridos también pueden ser útiles para el desarrollo de láseres en la tecnología médica: la longitud de onda de 2 µm es adecuado, por ejemplo, para romper cálculos en los riñones y en la vejiga.»
En definitiva, esto es lo que Fraunhofer ILT lleva haciendo desde su fundación: adaptar láseres de alta gama a partir de la investigación para aplicaciones industriales.
La financiación aún no está totalmente asegurada. El profesor Stahl espera una decisión final en los próximos dos años. Primero comenzarán a trabajar los proyectistas, luego los constructores de túneles y finalmente los físicos láser. «Calculo que podremos tomar las primeras mediciones en 2035».
¿Qué fascina a un investigador como Achim Stahl? «Con las ondas gravitacionales podemos mirar el universo mucho más lejos que con los telescopios normales», explica el astrofísico.
«En astrofísica, mirar más lejos en el universo significa, sobre todo, mirar hacia atrás en el tiempo. Con el telescopio Einstein recibiremos señales del momento en que se formaron las galaxias y las primeras estrellas. Esto se remonta más atrás de lo que es posible con la óptica significa. Y escucharemos explosiones cósmicas en vivo con las ondas gravitacionales antes de que las veamos».
Los detectores más sensibles del Telescopio Einstein «escucharán» las señales antes y darán a los otros telescopios más tiempo para alinearse. En el pasado, ver un evento así era más bien una coincidencia afortunada. Ahora, por primera vez, es posible realizar mediciones sistemáticas. Se avecinan tiempos apasionantes, y no sólo para los astrofísicos.
Proporcionado por Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT
Con información de Phys.org
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