Los científicos tienen dos formas de detectar las ondas gravitacionales. Aquí hay algunas otras ideas.

Hasta hace poco, las ondas gravitacionales podrían haber sido una invención de la imaginación de Einstein. Antes de ser detectadas, estas ondulaciones en el espacio-tiempo solo existían en la teoría general de la relatividad del físico, según lo que los científicos sabían.

Ahora, los investigadores tienen no una, sino dos formas de detectar las ondas. Y están en la búsqueda de más. El estudio de las ondas gravitacionales está en auge, según el astrofísico Karan Jani de la Universidad de Vanderbilt en Nashville. "Esto es simplemente notable. Ningún campo que pueda pensar en la física fundamental ha visto un progreso tan rápido".

Así como la luz viene en un espectro, o una variedad de longitudes de onda, también lo hacen las ondas gravitacionales. Diferentes longitudes de onda apuntan a diferentes tipos de orígenes cósmicos y requieren detectores de diferentes características.

Las ondas gravitacionales con longitudes de onda de algunos miles de kilómetros, como las detectadas por LIGO en Estados Unidos y sus socios Virgo en Italia y KAGRA en Japón, provienen principalmente de la fusión de pares de agujeros negros de aproximadamente 10 veces la masa del sol, o de colisiones de nuggets cósmicos densos llamados estrellas de neutrones. Estos detectores también podrían detectar ondas de ciertos tipos de supernovas y de estrellas de neutrones en rápida rotación llamadas púlsares.

En contraste, las ondas inmensas que abarcan años luz se cree que son creadas por pares de agujeros negros gigantescos que orbitan con masas miles de millones de veces la del sol. En junio, los científicos informaron las primeras pruebas sólidas de estos tipos de ondas al convertir toda la galaxia en un detector, observando cómo las ondas alteraban el cronometraje de los parpadeos regulares de los púlsares dispersos por toda la Vía Láctea.

Con el equivalente de pequeñas ondulaciones y grandes tsunamis en mano, los físicos ahora esperan sumergirse en un vasto océano cósmico de ondas gravitacionales de todo tipo de tamaños. Estas ondulaciones podrían revelar nuevos detalles sobre las vidas secretas de objetos exóticos como agujeros negros y facetas desconocidas del cosmos.

"Todavía hay muchas lagunas en nuestra cobertura del espectro de ondas gravitacionales", dice el físico Jason Hogan de la Universidad de Stanford. Pero tiene sentido cubrir todas las bases, dice. "¿Quién sabe qué más podríamos encontrar?"

Esta búsqueda de capturar el conjunto completo de las ondas gravitacionales del universo podría llevar a los observatorios al espacio profundo o a la Luna, al reino atómico y a otros lugares.

Aquí hay una muestra de algunas de las fronteras que los científicos están observando en busca de nuevos tipos de ondas.

La Antena Espacial de Interferometría Láser, o LISA, suena imposible al principio. Un trío de naves espaciales, dispuestas en un triángulo con lados de 2,5 millones de kilómetros, enviaría rayos láser entre sí mientras dan vueltas en una órbita alrededor del sol. Pero la misión de la Agencia Espacial Europea, planeada para mediados de la década de 2030, no es una mera fantasía. Es la mejor esperanza de muchos científicos para ingresar a nuevos reinos de ondas gravitacionales.

"LISA es un experimento alucinante", dice el físico teórico Diego Blas Temiño de la Universitat Autònoma de Barcelona y el Institut de Física d'Altes Energies.

A medida que una onda gravitacional pasa, LISA detectaría el estiramiento y la compresión de los lados del triángulo, según cómo los rayos láser interfieran entre sí en las esquinas del triángulo. Un experimento de prueba de concepto con una única nave espacial, LISA Pathfinder, voló en 2015 y demostró la viabilidad de la técnica.

En general, para capturar longitudes de onda más largas de las ondas gravitacionales, se necesita un detector más grande. LISA permitiría a los científicos ver longitudes de onda de millones de kilómetros de largo. Eso significa que LISA podría detectar agujeros negros en órbita que serían enormes, pero moderadamente, millones de veces la masa del sol en lugar de miles de millones.

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Con el programa Artemis de la NASA apuntando a un regreso a la luna, los científicos están buscando inspiración en cerca de la Tierra. Un experimento propuesto llamado la Antena Lunar de Interferometría Láser, o LILA, colocaría un detector de ondas gravitacionales en la luna.

Sin el jaleo de la actividad humana y otras inquietudes terrestres, las ondas gravitacionales deberían ser más fáciles de detectar en la luna. "Es como una tranquilidad espiritual", dice Jani. "Si quieres escuchar los sonidos del universo, no hay un lugar mejor en el sistema solar que nuestra luna".

Al igual que LISA, LILA tendría tres estaciones que enviarían láseres en un triángulo, aunque los lados de este serían de aproximadamente 10 kilómetros de largo. Podría captar longitudes de onda de decenas o cientos de miles de kilómetros de largo. Eso llenaría un hueco entre las longitudes de onda medidas por el LISA basado en el espacio y el LIGO basado en la Tierra.

Porque los objetos en órbita como los agujeros negros se aceleran a medida que se acercan a fusionarse, con el tiempo emiten ondas gravitacionales con longitudes de onda cada vez más cortas. Eso significa que LILA podría observar cómo los agujeros negros se acercan entre sí durante las semanas previas a su fusión, dándole a los científicos una señal de alerta de que una colisión está por ocurrir. Luego, una vez que las longitudes de onda se vuelven lo suficientemente cortas, los observatorios terrestres como LIGO captarían la señal, capturando el momento del impacto.

Otra opción basada en la luna utilizaría la técnica de medición láser de la distancia lunar, mediante la cual los científicos miden la distancia entre la Tierra y la luna con láseres, gracias a los reflectores colocados en la superficie lunar durante los aterrizajes lunares anteriores.

El método podría detectar ondas que sacuden la Tierra y la luna, con longitudes de onda entre las vistas mediante los métodos de sincronización de púlsares y LISA, informaron Blas Temiño y un colega en Physical Review D en 2022. Pero esa técnica requeriría reflectores mejorados en la luna, otra razón para volver.

LISA, LIGO y otros observatorios láser miden el estiramiento y compresión de las ondas gravitacionales al monitorear cómo los haces láser interfieren después de atravesar los brazos largos de sus detectores. Pero una técnica propuesta toma un camino diferente.

En lugar de buscar cambios leves en las longitudes de los brazos de los detectores mientras las ondas gravitacionales pasan, esta nueva técnica vigila la distancia entre dos nubes de átomos. Las propiedades cuánticas de los átomos significan que actúan como ondas que pueden interferir consigo mismas. Si pasa una onda gravitacional, cambia la distancia entre las nubes de átomos. Los científicos pueden deducir ese cambio de distancia basándose en esa interferencia cuántica.

La técnica podría revelar ondas gravitacionales con longitudes de onda entre las detectables por LIGO y LISA, dice Hogan. Él forma parte del esfuerzo para construir un detector prototipo, llamado MAGIS-100, en Fermilab en Batavia, Illinois.

Los interferómetros atómicos nunca se han utilizado para medir ondas gravitacionales, aunque pueden detectar la gravedad de la Tierra y probar las reglas fundamentales de la física (SN: 2/28/22; SN: 10/28/20). La idea es "totalmente futurista", dice Blas Temiño.

Otro esfuerzo tiene como objetivo localizar ondas gravitacionales de los primeros momentos del universo. Estas ondas habrían sido producidas durante la inflación, los momentos después del Big Bang cuando el universo se expandió rápidamente. Estas ondas tendrían longitudes de onda más largas que nunca antes vistas, de hasta 1021 kilómetros, o 1 sextillón de kilómetros.

Pero la búsqueda tuvo un falso comienzo en 2014, cuando los científicos del experimento BICEP2 proclamaron la detección de ondas gravitacionales impresas en patrones giratorios en la luz más antigua del universo, el fondo cósmico de microondas, o CMB. La afirmación luego fue desmentida (SN: 1/30/15).

Un esfuerzo llamado CMB-Stage 4 continuará la búsqueda, con planes para múltiples nuevos telescopios que escudriñarían la luz más antigua del universo en busca de señales de las ondas, esta vez, con suerte, sin ningún error.

Para la mayoría de los tipos de ondas gravitacionales a las que los científicos han puesto su atención, saben algo sobre qué esperar. Los objetos conocidos, como los agujeros negros o las estrellas de neutrones, pueden crear esas ondas.

Pero para las ondas gravitacionales con las longitudes de onda más cortas, tal vez solo de algunos centímetros de largo, "la historia es diferente", dice la física teórica Valerie Domcke de CERN cerca de Ginebra. "No tenemos ninguna fuente conocida... que realmente nos dé [estas] ondas gravitacionales con una amplitud lo suficientemente grande como para detectarlas de manera realista".

Aún así, los físicos quieren verificar si existen esas ondas pequeñas. Estas ondulaciones podrían ser producidas por eventos violentos en los primeros momentos de la historia del universo, como transiciones de fase, en las cuales el cosmos cambia de un estado a otro, similar a la condensación del agua de vapor a líquido. Otra posibilidad son los agujeros negros primordiales y diminutos, demasiado pequeños para formarse por medios estándar, que podrían haber nacido en el universo temprano. La física en estos regímenes está tan poco comprendida que "incluso buscar [ondas gravitacionales] y no encontrarlas nos diría algo", dice Domcke.

Estas ondas gravitacionales son tan misteriosas que las técnicas de detección también son inciertas. Pero las longitudes de onda son lo suficientemente pequeñas como para ser vistas con experimentos de alta precisión a escala de laboratorio, en lugar de enormes detectores.

Incluso los científicos podrían reutilizar los datos de experimentos diseñados con otros objetivos en mente. Cuando las ondas gravitacionales se encuentran con campos electromagnéticos, las ondulaciones pueden comportarse de manera similar a las partículas subatómicas hipotéticas llamadas axiones (SN: 3/17/22). Por lo tanto, los experimentos que buscan esas partículas también podrían revelar miniondas gravitacionales.

Gravitational waves come in a spectrum of shorter and longer wavelengths. Each wavelength range is generated by different sources. Pulsars and exploding stars, or supernovas, generate some short wavelength ripples. Other waves are produced by pairs of neutron stars, or by pairs of stellar mass black holes, with masses less than 100 times that of the sun. Still longer wavelengths are generated by pairs of supermassive black holes.

Different wavelengths can be spotted using different types of detectors, including ground-based detectors such as LIGO, space-based detectors such as LISA, and measurements of blips from dead stars called pulsars. Especially long wavelengths may be detected by studying the light released shortly after the Big Bang, the cosmic microwave background. Other detector types (not pictured) could fill in the gaps.

Catching gravitational waves is like paddling against the tide: tough going, but worth it for the scenic views. “Gravitational waves are really, really hard to detect,” Hogan says. It took decades of work before LIGO spotted its first swells, and the same is true of the pulsar timing technique. But astronomers immediately began reaping the rewards. “It’s a whole new view of the universe,” Hogan says.

Already, gravitational waves have helped confirm Einstein’s general theory of relativity, discover a new class of black holes of moderately sized masses and unmask the fireworks that happen when two ultradense objects called neutron stars collide (SN: 2/11/16; SN: 9/2/20; SN: 10/16/17).

And it’s still early days for gravitational wave detection. Scientists can only guess at what future detectors will expose. “There’s way more to discover,” Hogan says. “It’s bound to be interesting.”

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