Las ondas gravitacionales creadas por los agujeros negros o las estrellas de neutrones en las profundidades del espacio de hecho alcanzan la Tierra. Sin embargo, sus efectos son tan pequeños que solo se pudieron observar hasta ahora utilizando instalaciones de medición de un kilómetro de largo. Por lo tanto, los físicos están discutiendo si ultrafríoy los condensados minúsculos de Bose-Einstein con sus propiedades cuánticas ordenadas también podrían detectar estas ondas. El Prof. Ralf Schützhold del Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf HZDR y el TU Dresden ahora ha analizado cuidadosamente la base de estas sugerencias y ha determinado con seriedaden el diario Revisión física D que dicha evidencia está más allá del alcance de los métodos actuales.
Ya en 1916, Albert Einstein presentó un artículo a la Academia de Ciencias de Prusia, en el que demostró que las masas en movimiento, como las estrellas gigantes que orbitan entre sí, dejan una abolladura en el espacio y el tiempo, que se propaga a la velocidad de la luz.las abolladuras se conocen como ondas gravitacionales y deben moverse con precisión como las ondas de radio, la luz y otras ondas electromagnéticas. Sin embargo, los efectos de las ondas gravitacionales son normalmente tan débiles que el físico de fama mundial estaba convencido de que presumiblemente nunca podrían medirse.
La razón de este escepticismo es que el poder de estas ondas gravitacionales es bastante débil. Incluso, por ejemplo, la masa bastante grande de la Tierra, que cubre casi treinta kilómetros por segundo en su camino alrededor del sol mucho más grande, produce gravitaciónolas con una potencia de solo trescientos vatios. Eso no sería suficiente para alimentar una aspiradora comercial con una etiqueta Energy Star. Por lo tanto, la influencia de estas ondas gravitacionales en la órbita de la Tierra difícilmente se puede medir.
Cuando los agujeros negros se fusionan
La situación se ve un poco mejor cuando, en contraste, hay masas considerablemente más grandes involucradas. Cuando dos enormes agujeros negros se fusionaron a una distancia de 1.300 millones de años luz de la Tierra, de los cuales uno poseía la masa de aproximadamente treinta y seis soles y elotra masa de veintinueve soles, el espacio y el tiempo temblaron. Durante esta fusión, una masa que medía tres veces la de nuestro sol se transformó en una gigantesca onda gravitacional, cuyos restos llegaron a la Tierra 1.300 millones de años más tarde el 14 de septiembre de 2015, en11:51 AM, hora de Europa Central. Sin embargo, debido a que las olas se propagan en todas las direcciones a distancias tan enormes y se extienden a un espacio inimaginablemente grande, su poder disminuyó enormemente.
En la Tierra, por lo tanto, solo se recibió una señal extremadamente débil, que se registró utilizando dos tubos de vacío perpendiculares de cuatro kilómetros de largo en los Estados Unidos. Dos rayos láser especiales disparan hacia adelante y hacia atrás entre los puntos finales de estas instalaciones.el tiempo requerido para que un haz de luz alcance el otro extremo, los investigadores pueden calcular con mucha precisión la distancia entre los dos puntos ". Cuando las ondas gravitacionales llegaron a la Tierra, acortaron una de las dos distancias de medición en una fracción diminuta de una billonésima parte deun milímetro en ambas instalaciones, mientras que el otro tramo perpendicular se extendió en una cantidad similar ", dice el investigador del HZDR Ralf Schützhold, describiendo los resultados de sus colegas. Por lo tanto, el 11 de febrero de 2016, después de un análisis detallado de los datos, los investigadores tuvieronpor primera vez detectó directamente las ondas gravitacionales predichas por Albert Einstein. Tres de los investigadores contribuyentes recibieron rápidamente el Premio Nobel de física en 2017.
Átomos en sincronización
Los astrofísicos ahora pueden usar estas ondas para observar eventos masivos en el espacio, en los que dos agujeros negros se fusionan o explotan grandes estrellas. Los físicos simplemente se preguntan si esto tampoco funcionará con instalaciones que son mucho más fáciles de manejar que los cuatrotubos de vacío perpendiculares de largo kilómetro. Una posibilidad podría ser lo que se conoce como condensados de Bose-Einstein, que Satyendranath Bose y Albert Einstein ya habían predicho en 1924. "Tales condensados pueden considerarse vapor muy diluido de átomos individuales que sonse enfría al extremo y, por lo tanto, se condensa ", explica Schützhold. Los investigadores en los Estados Unidos solo lograron hacerlo en 1995.
A temperaturas extremadamente bajas, que están muy ligeramente por encima del cero absoluto de menos 273,15 grados centígrados, la mayoría de los átomos de metales como el rubidio están en el mismo estado cuántico, mientras que forman una mezcolanza caótica como vapor a temperaturas más altas ".a las partículas de luz láser, los átomos de estos condensados de Bose-Einstein se mueven, por así decirlo, en sincronización ", dice Schützhold. Sin embargo, las ondas gravitacionales pueden cambiar las partículas de sonido o cuantos de sonido, que los físicos llaman fonones, en estos átomos sincronizados-condensados. "Esto es un poco similar a un gran tanque de agua en el que las olas generadas por un terremoto cambian las ondas de agua existentes", dice Ralf Schützhold, describiendo el proceso.
Poca evidencia es muy poca
Sin embargo, cuando el jefe del Departamento de Física Teórica del HZDR examinó más de cerca los fundamentos de este fenómeno, se aseguró de que tales condensados de Bose-Einstein debían ser varios órdenes de magnitud más grandes de lo que es posible actualmente para detectar ondas gravitacionalesque emana de la fusión de los agujeros negros. "Hoy, Bose-Einstein se condensa con, por ejemplo, un millón de átomos de rubidio se obtienen con gran esfuerzo, pero se necesitarían más de un millón de veces esa cantidad de átomos para detectar ondas gravitacionales", dice Schützhold.De hecho, existe una alternativa donde se forma una especie de vórtice en el condensado de Bose-Einstein, en el que las ondas gravitacionales generan directamente fonones que son más fácilmente observables ". Pero incluso con tales condensados de Bose-Einstein no homogéneos, todavía somos órdenes demagnitud de la detección de ondas gravitacionales ", lamenta el físico.
Sin embargo, el investigador del HZDR proporciona una pista sobre la posible prueba: si el helio de gas noble se enfría a menos de dos grados por encima del cero absoluto, se forma un líquido superfluido que de hecho no es un condensado puro de Bose-Einstein, pero contienepoco menos del diez por ciento de tales átomos de helio sincronizados. Debido a que se pueden producir cantidades mucho mayores de este helio superfluido, se pueden crear muchos órdenes de magnitud más átomos de condensado de Bose-Einstein de esta manera que con la producción directa. "Sin embargo, si el helio superfluido es, sin embargo,Realmente, una forma de detectar ondas gravitacionales solo se puede mostrar con cálculos extremadamente complejos ", dice Schützhold. Por lo tanto, los minidetectores para ondas gravitacionales aún se encuentran en algún momento en el futuro.
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Materiales proporcionado por Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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