Relojes atómicos para detectar ondas gravitacionales

Las ondas gravitacionales son ondulaciones en el tejido espaciotemporal que se producen cuando cuerpos muy masivos se aceleran a grandes velocidades, como es el caso de un sistema de dos agujeros negros que giran uno alrededor del otro a velocidad creciente hasta que se funden en uno solo. En febrero de este mismo año, los detectores LIGO anunciaron la primera detección de ondas gravitacionales procedentes de la fusión de dos agujeros negros, Y hace apenas una semana los mismos detectores repitieron su hazaña con otra pareja diferente de agujeros negros.

Ahora, Shimon Kollowitz y Jun Ye, del instituto de astrofísica JILA, en Colorado, han unido sus esfuerzos con Mikhail Lukin, de la Universidad de Harvard, para proponer un nuevo sistema para detectar ondas gravitacionales utilizando dos relojes atómicos . Los dispositivos deberían ser relojes atómicos de red óptica, que para medir el tiempo utilizan la frecuencia de una transición atómica y que son capaces de alcanzar una precisión extraordinaria. En esta clase de relojes, los átomos están atrapados dentro de una red óptica unidimensional, que es una onda estacionaria creada por el reflejo de un haz de láser en un espejo. El sistema es muy efectivo para aislar los átomos de agentes externos que podrían reducir el rendimiento del reloj.

Cada reloj se instalaría dentro de un satélite , y cada uno de ellos produciría un haz de laser ultra estable, cuya luz sería enviada de un satélite al otro y viceversa. Los sistemas ópticos a bordo de los satélites bloquearían los rayos láser en una única frecuencia creando, en esencia, un único láser que opera en una única frecuencia.

Cuando una onda gravitacional se propague a través del Sistema Solar, causará una ligera variación en la posición de cada satélite en relación del otro, acercándolos y separándolos a medida que la onda pasa. Esos pequeños vaivenes en la posición relativa de los satélites se traducirá en un desplazamiento Doppler de la luz láser que los une, lo que significa que la frecuencia del haz aumentará ligeramente cuando los dos satélites se acerquen y disminuirá cuando se estén alejando el uno del otro.

A pesar de que el desplazamiento de los satélites al paso de la onda gravitacional será mínimo, los relojes atómicos serán capaces de detectarlo gracias a los ligerísimos cambios en la frecuencia del laser. Dado que ambos relojes son idénticos, cualquier variación de frecuencia medida por cualquiera de ellos solo podrá ser causada por el paso de una onda gravitacional. Siempre y cuando, claro, cualquier otro posible movimiemto en la posición relativa de ambos satélites haya sido eliminado o reducido a los niveles adecuados. "Lo que esperamos detectar -explica Kollowitz- son, precisamente, esas pequeñas oscilaciones en la frecuencia del haz de rayos láser".

El detector LISA será capaz de detectar ondas gravitacionales en una banda determinada y relativamente amplia de frecuencias, mientras que el detector basado en relojes atómicos sólo trabajará en una (alrededor de los 3 mHz) aunque, eso sí, con una precisión extraordinaria. El sistema, sin embargo, podrá ser "sintonizado" para operar en bandas muy estrechas de hasta 10 Hz sin perder sensibilidad. Y eso, para los investigadores, puede resultar muy útil, porque una buena parte de la gama "sintonizable" de frecuencias queda fuera de las capacidades del futuro detector espacial LISA y del actual LIGO.

Si la idea es aceptada y el sistema de relojes atómicos se incorpora al diseño del detector LISA, los satélites tendrían la sensibilidad necesaria para detectar las ondas gravitacionales emitidas durante el proceso de fusión de dos agujeros negros incluso varios años antes de que la fusión en sí se produzca, que es cuando el detector LIGO podría detectarlas. "Utilizando el sintonizador de nuestro detector -añade Kollowitz- podríamos detectar y estudiar las ondas gravitacionales durante todo el proceso de fusión, y seguirlo hasta el momento en que éste se haga visible para LIGO".

Kollowitz y sus colegas esperan que su diseño sea tenido en cuenta y se decida finalmente integrarlo en LISA. Para el investigador, toda una red de detectores basados en relojes atómicos instalados en el espacio permitiría a los físicos poner a prueba, como nunca hasta ahora, algunas de las leyes fundamentales de la Naturaleza, y buscar piestas que nos conduzcan a una nueva Física.