Los desafíos y las oportunidades a la hora de estudiar las ondas gravitacionales de alta frecuencia

Su detección permitiría conocer fases del Universo primordial que no son accesibles mediante la investigación con ondas electromagnéticas. Y eventualmente abriría el camino hacia una nueva física

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – Las ondas electromagnéticas y las ondas gravitacionales son los dos únicos medios que posee la humanidad para el estudio del Universo a gran escala. Con todo, durante milenios, solamente el primero de estos pudo utilizarse: desde las observaciones astronómicas a simple vista que hacían los pueblos antiguos, basadas en la recepción de la luz visible, hasta los supertelescopios actuales, que operan en diversos rangos del espectro electromagnético, del radio a los rayos gamma. Y los efectos gravitatorios se infirieron según el movimiento relativo de los astros.

Pero la primera medición directa de ondas gravitacionales se concretó recién en el año 2015, en el marco de las colaboraciones LIGO y Virgo. Tal como lo enfatizaron los medios entonces, este logro abrió una ventana totalmente nueva para la investigación del Universo (lea más en: agencia.fapesp.br/22804/). 

Hasta ahora, esa ventana ha sido explorada exitosamente, con detecciones firmes, solamente en un rango relativamente estrecho de frecuencias que varía de los 10 hercios (10 Hz) a los 10 kilohercios (10⁴ Hz).

Los retos y las oportunidades de la investigación de ondas gravitacionales en frecuencias mucho más altas, que van de los megahercios (10⁶ Hz) a los gigahercios (10⁹ Hz), constituyeron el tema de un evento presencial realizado en Trieste, Italia, en el año 2019, antes de la pandemia. Las reflexiones que se intercambiaron en el marco de ese workshop, como así también la revisión de toda la literatura sobre el tema, han sido ahora sistematizadas y publicadas en la revista científica Living Reviews in Relativity. El artículo respectivo contó con la participación de Odylio Denys de Aguiar, investigador titular del Instituto Nacional de Investigaciones Espaciales (Inpe) de Brasil.

Esta iniciativa contó con el apoyo de la FAPESP mediante una Ayuda Regular de Investigación y un Proyecto Temático que contó con De Aguiar como investigador responsable.

“Para emitir en el rango considerado, es necesario que una materia muy compacta oscile en frecuencias extremadamente altas. Sería el caso de los miniagujeros negros, por ejemplo, con diámetros de menos de un kilómetro, y masas inferiores a la masa del Sol o incluso inferiores a la masa de la Tierra”, dice De Aguiar.

Tal como se pone de relieve en el artículo ahora publicado, “no existen objetos astrofísicos conocidos que sean los suficientemente pequeños y densos como para emitir en frecuencias situadas más allá de los 10 kilohercios. Cualquier descubrimiento de ondas gravitacionales en frecuencias más altas apuntaría entonces hacia una nueva física situada más allá del Modelo Estándar, y relacionada con objetos astrofísicos exóticos o con eventos cosmológicos del Universo primitivo, por ejemplo”.

Entre los objetos astrofísicos exóticos, el artículo hace alusión a los agujeros negros primordiales y a las estrellas de bosones. Y en la categoría de los eventos cosmológicos de Universo primitivo, incluye a las transiciones de fase, a las fluctuaciones térmicas y a las cuerdas cósmicas, entre otros. Son formulaciones teóricas que eventuales detecciones permitirán confirmar, corregir o descartar.

La astronomía y la cosmología experimentaron un notable avance cuando las observaciones realizadas con base en las ondas electromagnéticas transcendieron el rango de la luz visible para acceder a otras bandas de frecuencia. Análogamente, la detección de ondas gravitacionales de frecuencias superiores a los 10 kilohercios abriría de par en par una nueva ventana hacia el Universo.

“En particular, esta detección permitiría obtener información sobre el período comprendido entre el Big Bang y la emisión de la radiación cósmica de fondo, que actualmente se capta bajo la forma de microondas. Durante ese período, que se prolongó por casi 400 mil años, la radiación electromagnética estaba tan fuertemente acoplada a la materia que no podía propagarse libremente. Pero las ondas gravitacionales podían viajar sin perturbaciones y formarían hoy en día un fondo que eventualmente podría detectarse”, afirma De Aguiar.

La grande dificultad de esa detección, según el investigador, es de naturaleza tecnológica. “Cuanto mayor es la frecuencia de las ondas, menor es su amplitud. Sucede que, al igual el espectro electromagnético, el espectro de las ondas gravitacionales también se rige, grosso modo, por una ley de potencia en función de la frecuencia con exponente negativo. En otras palabras: la naturaleza es más generosa a bajas frecuencias, tal como queda evidente en los gráficos de este sitio web que muestra las amplitudes esperables de fuentes astrofísicas y cosmológicas en el Universo y la sensibilidad de los principales proyectos destinados a la detección de ondas gravitacionales con frecuencias ubicadas por debajo de los 10 kHz”, explica.

Ninguna de las diversas propuestas compiladas en el artículo alcanza en la actualidad la sensibilidad necesaria. En la mejor de las hipótesis, llegan a niveles de sensibilidad seis órdenes de magnitud menores. Pero el artículo recuerda que hace menos de 50 años, Kip Thorne, uno de los grandes precursores del estudio de las ondas gravitacionales, había dicho junto a su supervisor John Archibald Wheeler y su colega Charles Misner que los interferómetros láser tenían una sensibilidad tan baja que eran de poco interés experimental. En 2017, Thorne ganó el Premio Nobel después de la primera detección de ondas gravitacionales realizada en 2015 por el interferómetro láser LIGO.

Según De Aguiar, la solución tecnológica para la detección de ondas gravitacionales de alta frecuencia no provendrá necesariamente de proyectos multimillonarios, sino de soluciones altamente innovadoras, algunas nunca pensadas.

Puede leerse el artículo intitulado Challenges and opportunities of gravitational-wave searches at MHz to GHz frequencies en el siguiente enlace: link.springer.com/article/10.1007%2Fs41114-021-00032-5.