Detección de Ondas Gravitacionales

Las ondas gravitacionales se detectan midiendo los cambios minúsculos que inducen en las longitudes relativas de los brazos perpendiculares de interferómetros láser gigantes, una hazaña lograda por primera vez por LIGO en 2015.

Definition

La detección de ondas gravitacionales es la medición de la deformación, el cambio fraccional en la distancia, producido por una onda que pasa, logrado mediante interferometría láser sobre líneas de base de kilómetros en tierra, por interferómetros espaciales planificados y por matrices de cronometraje de púlsares de milisegundos a frecuencias muy bajas.

Scope

Este tema cubre el principio de detección interferométrica, la respuesta de un interferómetro en forma de L a la deformación de la onda, las fuentes de ruido dominantes (sísmico, térmico y ruido de disparo cuántico) y las técnicas utilizadas para suprimirlas, la red global de detectores (LIGO, Virgo, KAGRA) y los observatorios espaciales y de cronometraje de púlsares planificados, y el análisis de datos de filtrado adaptado utilizado para extraer señales del ruido.

Core questions

• ¿Cómo convierte un interferómetro láser la deformación del espacio-tiempo en una señal medible?
• ¿Qué fuentes de ruido limitan la sensibilidad y cómo se superan?
• ¿Cómo se identifican las señales débiles dentro del ruido del detector?

Key concepts

• Interferómetro láser
• Sensibilidad a la deformación
• Ruido sísmico y térmico
• Ruido de disparo cuántico
• Red de detectores y triangulación
• Filtrado adaptado

Key theories

Medición interferométrica de la deformación

Una onda que pasa cambia las longitudes de dos brazos perpendiculares del interferómetro de forma opuesta, desplazando la interferencia de la luz láser recombinada, de modo que el cambio de fase medido es una lectura directa de la deformación de la onda gravitacional.

Detección por filtro adaptado

Debido a que las formas de onda esperadas pueden calcularse de antemano, las señales muy por debajo del ruido se extraen correlacionando los datos con bancos de plantillas teóricas, la técnica que confirmó la primera fusión de agujeros negros.

Clinical relevance

La tecnología de detección define lo que la astronomía de ondas gravitacionales puede observar: los interferómetros terrestres cubren la banda de audio de las fusiones de masas estelares, las misiones espaciales planificadas alcanzarán frecuencias más bajas para los binarios de agujeros negros masivos, y las matrices de cronometraje de púlsares investigan ondas de nanohertz de pares de agujeros negros supermasivos, abarcando juntos el espectro de ondas gravitacionales.

History

Los intentos de Joseph Weber con barras resonantes en la década de 1960 impulsaron el campo; Weiss concibió el enfoque interferométrico a principios de la década de 1970, y después de décadas de desarrollo, LIGO logró la primera detección directa en septiembre de 2015, un logro reconocido con el Premio Nobel de 2017 para Weiss, Thorne y Barish.

Key figures

• Rainer Weiss
• Kip Thorne
• Barry Barish
• Ronald Drever

Seminal works

• abbott2016
• saulson1994

Frequently asked questions

¿Cómo pueden los detectores medir un cambio de longitud menor que un núcleo atómico?

Mediante el uso de brazos de kilómetros de longitud, láseres estabilizados de alta potencia reflejados miles de veces, y un aislamiento extremo de las perturbaciones sísmicas y térmicas, los interferómetros detectan el cambio diferencial de longitud de los brazos del orden de 10^-18 metros que produce una onda gravitacional.

¿Por qué se necesitan varios detectores en lugar de uno?

Una red confirma que una señal es astrofísica en lugar de ruido local y, al comparar los tiempos de llegada en sitios muy separados, localiza la fuente en el cielo, lo cual es esencial para apuntar telescopios para un seguimiento multimessenger.