ZAIGA: el observatorio chino de ondas gravitacional con láseres atómicos

Wikimedia Commons 

China ha publicado sus planes para el gran observatorio subterráneo de ondas gravitacionales ZAIGA, el cual se diferenciará significativamente de los existentes LIGO, Virgo y KAGRA. El costo estimado del proyecto es de unos dos mil millones de yuanes (aproximadamente 300 millones de dólares) y puede comenzar a funcionar a partir de 2025. Los detalles han sido publicados en arXiv.org.  

El descubrimiento de ondas gravitacionales en 2015 por parte del observatorio LIGO provocó un aumento del interés en esta área de investigación. En Europa comenzó la actualización de la antena Virgo, el proyecto KAGRA en Japón ha llegado a la etapa final de la construcción, se iniciaron las discusiones sobre la construcción de una copia de LIGO en India, y finalizaron con éxito las pruebas del satélite de prueba europeo LISA Pathfinder.

Sin embargo, todas las instalaciones actualmente en funcionamiento, así como la mayoría de las propuestas, están diseñadas de acuerdo con un esquema fundamentalmente idéntico: son interferómetros láser, cuyos hombros forman un ángulo de 90 grados. Este esquema es el más sencillo de implementar, pero también tiene inconvenientes. En particular, no permite explorar completamente la posible polarización de las ondas gravitacionales. En este parámetro, las perturbaciones espacio-temporales son mucho más complejas que las ondas electromagnéticas, y un estudio detallado de este aspecto puede ayudar a avanzar en la comprensión teórica de la gravedad, señalando las desviaciones de la teoría general de la relatividad.

El observatorio ZAIGA será diferente

Ahora, físicos de varios institutos de la Academia de Ciencias de China publicaron los detalles del proyecto de una antena gravitacional fundamentalmente diferente ZAIGA (Antena Zhaoshan de Gravedad de Interferómetro Atómico de larga base). Según los autores, este observatorio, para el que ya se ha elegido el sitio de construcción y se ha iniciado la construcción de túneles, será un interferómetro atómico en forma de triángulo equilátero con una longitud de lado de un kilómetro.

La instalación se realizará a una profundidad promedio de 200 metros bajo la montaña Zhaoshan, ubicada a 80 kilómetros de la ciudad de Wuhan en la provincia de Hunan. Las características de diseño no solo promoverán la precisión de la investigación de ondas de gravedad, sino que también brindarán la posibilidad de realizar otros experimentos, como la verificación del principio de equivalencia, la medición del desplazamiento al rojo gravitacional, la gravedad y los efectos magnéticos y algunos otros fenómenos.

La principal diferencia con los experimentos existentes es el uso de un interferómetro atómico, en lugar de un láser. El principio de este dispositivo es similar al análogo óptico, pero en lugar del estado coherente de las partículas de luz, utiliza el estado coherente de los átomos (condensado de Bose-Einstein).

El resto de los esquemas son similares: la separación del haz de partículas coherente, el movimiento de las piezas en los brazos de la instalación y la mezcla para estudiar pequeñas diferencias en el recorrido en función del cambio en el patrón de interferencia. Como los átomos tienen una masa, se mueven mucho más lentamente que la luz, lo que les permite acumular más tiempo el efecto de una onda gravitacional, un dispositivo basado en ellos será mucho más sensible.

Otra diferencia importante con respecto a los observatorios existentes será el rango de frecuencia operativa: mientras LIGO e instalaciones similares son sensibles a las ondas con frecuencias alrededor de cientos de hercios, ZAIGA detectará las perturbaciones con frecuencias de 0.1 a 10 hertzios. Tales señales se esperan en la confluencia de agujeros negros sustancialmente más grandes de masas intermedias, que crean un campo gravitatorio como el de 100 o un millón de soles. Los agujeros negros de este tipo son los más difíciles de registrar, pero estudiarlos permitirá saber cómo los agujeros negros supermasivos han ganado masa.

Otras tareas

Además de las ondas gravitacionales, ZAIGA es adecuado para otras tareas relacionadas con la gravedad. En particular, en los extremos de un túnel vertical de 200 metros que conecta la parte subterránea con la superficie, se ubicarán las fuentes atómicas, es decir, los tubos de vacío en los que se puede investigar la caída libre de átomos individuales.

Dichas instalaciones son adecuadas para probar el principio de equivalencia débil, uno de los fundamentos de relatividad general, según el cual las trayectorias de cuerpos que caen libremente no dependen de su masa y estructura interna. Los relojes atómicos ubicados en diferentes altitudes también permitirán investigar otros efectos de la relatividad general, como la dependencia de la velocidad del reloj en la magnitud del potencial gravitatorio.

ZAIGA no es el único proyecto de un interferómetro triangular, el telescopio Einstein proyectado y el observatorio espacial LISA deberían tener la misma forma. También hay otros proyectos de antenas gravitacionales basadas en láseres atómicos, en particular, MIGA (Antena de gravitación interferométrica con láser de onda de materia - antena gravitacional basada en la interferometría de los láseres de ondas de materia). Una nueva sesión de observaciones sobre los interferómetros láser LIGO y Virgo comenzó el 1 de abril. La instalación japonesa KAGRA debería unirse a ellos en un futuro cercano.
 

Victor Román
Esta noticia ha sido publicada originalmente en N+1, ciencia que suma.

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