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Ciencia

En la onda del Gráviton

Brasil entra en la carrera para captar ondas gravitacionales en el Cosmos

Con el proyecto Gráviton, coordinado por Odylio Aguiar, del Instituto Nacional de Investigaciones Espaciales (Inpe, Brasil), un grupo de investigadores pretende, por primera vez en la historia, detectar ondas gravitacionales en el espacio. Iniciado en mayo del año pasado con una financiación de cerca de un millón de dólares por parte de la FAPESP, el proyecto reúne a un conjunto de instituciones y comienza con la construcción de un poderoso detector de ondas con antena esferoidal que lleva el nombre del físico brasileño Mário Schenberg (1914-1990). Más allá de sus resultados, es un proyecto importante, ya que desarrollará en el país un instrumental que podrá ser útil también en otras áreas.

Las ondas gravitacionales son deformaciones en la estructura del espacio-tiempo producidas por masas aceleradas – por ejemplo, en las explosiones de estrellas supernovas o en la órbita de un sistema binario formado por dos estrellas de neutrones – y que, según la Teoría de la Relatividad, se propagan a la velocidad de la luz. Sugeridas entre el final del siglo XIX y el inicio del XX por científicos como Heaviside, Lorentz y Poincaré, las mismas fueron previstas en 1916 por las ecuaciones de la Relatividad General de Albert Einstein.

Desde la década del 60, cuando los avances tecnológicos permitieron que se pensara en detectar esas ondas, los físicos imaginan dispositivos para tal fin, y existen ya varios detectores inmersos en el intento. La propuesta brasileña sugiere que pesadas antenas esferoidales de cobre aluminio operen a temperaturas de entre 15 y 20 mK (milikelvins), pocas centésimas de grado por encima del cero absoluto (-273,16°C), situación en la cual cesa toda agitación atómica y, por tanto, hay ausencia total de calor.

El proyecto Gráviton abarca varios equipamientos del género. El primero es el detector Schenberg, que operará en la frecuencia de entre 3 y 3,4 kHz (kilohertz). En esa franja, “tendrá la sensibilidad de los grandes interferómetros de láser”, revela Aguiar, “con la ventaja de ser más barato”. Los interferómetros de láser son detectores que cuestan alrededor de 100 millones de dólares, mientras que el Schenberg, del tipo resonante, cuesta aproximadamente un millón.

Revolución
Quien detecte las ondas gravitacionales desencadenará una revolución de consecuencias imprevisibles en la Física, vaticina Aguiar, del Inpe, y sus coordinadores adjuntos Nei Oliveira Jr., del Laboratorio de Estado Sólido y Bajas Temperaturas (LESBT) del Instituto de Física de la Universidad de São Paulo (USP), y Giorgio Frossati, de la Universidad de Leiden (Holanda). Participan también investigadores de la Universidad Bandeirantes, del Centro Federal de Enseñanza Tecnológica de São Paulo y del Instituto Tecnológico de la Aeronáutica. Colaboran además otras seis instituciones del exterior y otras tantas de Brasil.

“No es una tarea fácil”, admite Aguiar. Huidizas como las electromagnéticas, que viajan a 300 mil km/segundo, las ondas gravitacionales son mucho más débiles: alrededor de 36 órdenes de magnitud menos que la radiación electromagnética. Frossati, físico italiano formado en Brasil y especialista en criogenia, hace una analogía entre la radiación electromagnética, descifrada entre los siglos XIX y XX, y la gravitacional: “Las ondas electromagnéticas pueden compararse con bolas de billar que se desplazan sobre la superficie plana de la mesa, representando las dimensiones que conocemos, mientras que las ondas gravitacionales tendrían la libertad de perforar el plano de la mesa, hacia arriba y hacia abajo”.

En ese modelo, ellas huirían hacia otras dimensiones, lo que coincide con la teoría de las supercuerdas, que afirma la existencia de múltiples dimensiones en los primeros estadios del Universo, cuando las cuatro fuerzas básicas de la naturaleza habrían configurado solo una. Tales fuerzas, recuerda Aguiar, “son la fuerza fuerte, responsable por la cohesión de las partículas nucleares y de los núcleos atómicos; la fuerza débil, que rige la transmutación entre partículas; la fuerza electromagnética, que posibilita la existencia de los átomos y de las estructuras moleculares y cristalinas; y, finalmente, la fuerza gravitacional, responsable por la formación de las galaxias, estrellas, planetas y demás cuerpos en el Universo”.

Brujería
El conocimiento de la naturaleza de las ondas gravitacionales sería la respuesta que Isaac Newton no les pudo dar, en el siglo XVII, a los críticos cartesianos que lo acusaron de “brujería” cuando anunció su Teoría de la Gravitación Universal. La distorsión de la estructura espacio-tiempo por la presencia de un cuerpo de gran masa, prevista en la Teoría de la Relatividad General, fue confirmada el 29 de mayo de 1919 durante el eclipse total de sol observado por un equipo internacional en Sobral, en Ceará.

Hasta ahora, las evidencias de ondas gravitacionales son indirectas. En la década del 70, científicos americanos observaron, con el radiotelescopio de 305 metros de Arecibo, en Puerto Rico, una disminución de 76 microsegundos por año en la órbita del sistema binario PSR1913+16, formado por un pulsar y una estrella de neutrones, ambas estrellas colapsadas. La variación de rotación de sistema fue explicada por la emisión de ondas gravitacionales.

Segundo Frossati, la eventual detección de la ondulación del espacio-tiempo “traerá aparejadas profundas reformulaciones en el micro y macrocosmos y en el área de la física de partículas, consolidando desde abordajes como la teoría de las supercuerdas hasta un nuevo mapeamiento y conocimiento del Universo”. La teoría de las supercuerdas sostiene que los constituyentes básicos de lamateria, los quarks, nacen de la vibración de cuerdas infinitamente pequeñas – los ladrillos básicos del mundo, generados como las notas producidas por la vibración de las cuerdas de un piano. De la combinación de varios tipos de quarks se constituyen los protones y neutrones, partículas que formanel núcleo atómico y, envueltas por capas de electrones, componen el mundo conocido.

Frossati vivió en Brasil entre los 8 y los 30 años y estudió en el Instituto de Física de la USP. Hoy, mientras observa el paisaje arbolado por las ventanas de vidrio del edificio Mario Schenberg, en la Ciudad Universitaria, advierte que el proyecto “puede parecer pura ficción científica”, y discurre sobre los desdoblamientos posibles de la detección de ondas gravitacionales, como la posibilidad de que esas ondas “huyan hacia otras dimensiones”.

Aleación de campanas
“No solo las primeras detecciones serán importantes”, afirma Aguiar. “La observación regular de esas ondas será tanto o más importante, pues ellas cargan información del Cosmos que no puede obtenerse a través de la detección de las ondas electromagnéticas (microondas, infrarrojo, luz, rayos gama, etc.). Por lo tanto, la detección de esas ondas gravitacionales va a abrir una nueva ‘ventana’ para a observación del Universo.”

El desarrollo de esa nueva generación de detectores de ondas gravitacionales se basa en antenas resonantes esferoidales construidas con una aleación de cobre (94%) y aluminio (6%). “En un trabajo reciente, el grupo de Holanda demostró que esa aleación combina una alta capacidad resonante (como la aleación de una campana) con una alta conductividad térmica. Esta última propiedad es la que permitirá que la antena pueda enfriarse hasta temperaturas tan bajas. Enfriar la antena es importantísimo para minimizar el ruido térmico. Uno de las grandes claves de esta nueva generación de antenas reside en que serán enfriadas a temperaturas casi a un nivel por debajo del de las antenas existentes: la más fría de ellas, la Nautilus, del Instituto Nacional de Física Nuclear (INFN), en Frascati, Italia, funciona a cerca de 100 mK”, subraya Oliveira.

Proyecto Omega
El plan más ambicioso del equipo de Aguiar es producir tres detectores esferoidales en Brasil, de tamaños diferentes y, consecuentemente, franjas de frecuencia diferentes. El Schenberg es el primero; después vendrán el Newton y el Einstein, y el conjunto integrará el Observatorio Brasileño de Ondas Gravitacionales. Habrá tres unidades del porte del detector Schenberg, con 65 centímetros de diámetro y 1.150 kilogramos. La primera ya está cobrando forma en la fundición Italbronze, de Arujá. El Newton tendrá el doble del diámetro del Schenberg, y el Einstein será aún mayor: 3 metros de diámetro y 100 toneladas. Cada versión significa un desafío, tanto por su construcción como por su enfriamiento.

Las tres unidades del primer tamaño de detector, todas producidas en Italbronze, integrarán el proyecto Omega, una red internacional de detectores esferoidales. El Schenberg estará ubicado en el LESBT del Instituto de Física de la USP, en el edificio que lleva el nombre del físico brasileño. Los otros, Mini-Grail y Sfera, serán instalados respectivamente en la Universidad de Leiden, Holanda, y en el Instituto Nacional de Física Nuclear en Frascati, Italia. El trabajo con tres instrumentos similares, en la misma franja de frecuencia, es necesario para garantizar la confiabilidad de las medidas, justifican Frossati y Aguiar.

Botella térmica
Los desafíos para la construcción y refrigeración comienzan con la fundición de la aleación cobre-aluminio, cuya composición, Frossati la define como la que ofrece la mejor resonancia para las ondas gravitacionales. Pero el fundir un cuerpo como ese, reconoce, “reviste dificultades como la aparición de defectos capaces de alterar los estándares mecánicos deseados”. Las solución encontrada por Italbronze fue fundir bloques en forma de cilindro, en los que eventuales fallas estructurales tienden desplazarse hacia las partes superiores de la pieza, que “están siendo cortadas como recurso para eliminar las fallas y asegurar el desempeño deseado”, informa Aguiar.

El enfriamiento de una pieza de más de una tonelada a pocas centésimas de grado por encima del cero absoluto requiere una infraestructura criogénica considerable. Por eso la antena será montada en el LESBT de la USP, liderado por Nei Oliveira. “Será la mayor masa ya enfriada a esa temperatura en todo el mundo” dice. Y acrecienta que, con proyectos de esta índole, “Brasil participa en el circuito internacional de la alta tecnología científica”.

Después del Schenberg, las dificultades con las antenas mayores se incrementarían, tanto en los procesos de fundición como en los de enfriamiento. Aguiar se refiere al trabajo para enfriar no una, sino 100 toneladas, en un corto lapso de tiempo. Para ello, el Schenberg estará confinado en una especie de botellas térmica gigante, en el laboratorio de criogenia. Bañado por gas helio, en una técnica conocida con el nombre convección forzada, en tres días y medio habrá alcanzado la temperatura de operación. Ese corto tiempo de enfriamiento es una de las principales ventajas de este detector, argumenta Oliveira. En caso de alteración de la configuración, agrega, “no será necesario esperar los meses que sería preciso esperar en los casos de detectores mayores”.

En el Guinness
En el enfriamiento entran las habilidades de Frossati, que en los años 80 batió el récord en la obtención de bajas temperaturas continuas, logrando menos de dos milikelvin por encima del cero absoluto, y así entró al Guinness Book, el libro de los récords. No obstante, para desarrollar el Einstein, el tiempo de enfriamiento se elevará a un mes y la “botella térmica” donde el mismo será acondicionado tendrá que crecer un volumen significativo. Eso, según Aguiar, “exigirá un edificio mucho mayor que el del laboratorio de la USP, equipado con grúas especiales para llevar a cabo su desplazamiento”. El Einstein, dice, aumentará la sensibilidad en energía de detección del Schenberg por un factor 100 y su costo ascenderá a 7 millones de dólares.

Empezar con detectores menores y más baratos, con la intención de llegar a los grandes, más sofisticados y eficientes, es el rumbo del proyecto Gráviton. Incluso el Schenberg pasará por dos fases: la Granted, formada por las iniciales, en ingles, de “demostración tecnológica de antena para radiación gravitacional”; y la Detector, cuando el instrumento entre en operación, lo ocurriría antes de mayo de 2004.

“En la franja de 3.0 a 3.4 kHz, el brasileño Schenberg, el holandés Mini-Grail y el italiano Sfera tienen todo para ser los más sensibles del mundo, pues todos los interferómetros láser de largo camino óptico que están entrando en operación van a tener mucho ruido en esa franja”, afirma Aguiar. “Además, vamos a aprender cómo hacer detectores aún más sensibles en otras franjas de frecuencias”, completa Aguiar.

Los investigadores comparan la detección de ondas gravitacionales con el surgimiento de la radioastronomía. “Si el observar el Universo en longitudes de onda de radio trazó un nuevo mapa del Cosmos, la observación de ondas gravitacionales ampliará esos horizontes”, afirma Frossati, que cree que, como la radioastronomía lo hizo utilizando las microondas, también será posible registrar ondas gravitacionales del Big Bang, la explosión inicial de la creación del Universo.

“La diferencia”, dice Oliveira, “es que mientras las ondas electromagnéticas brindan una ‘foto’ de cuando el Universo tenía 300 mil añitos de edad, las ondas gravitacionales en microondas van a suministrarnos la ‘foto’ del Universo en el momento exacto de su nacimiento. Algo que no podrá dejar de ir al álbum de la ciencia”.

Los detectores en acción

Existen dos tipos principales de detectores de ondas gravitacionales en operación: los de resonancia de barra y los de láser. Actualmente, entre los más sensibles en operación hay cinco de resonancia de barra y uno de láser. Se encuentran en su fase final, para el inicio de su operación, cuatro de láser (interferómetros) y en construcción tres esferoidales, entre ellos el brasileño Schenberg.

En enero de 1960, el físico estadounidense Joseph Weber propuso los instrumentos de resonancia de barra y el primero entró en actividad cinco años después. Un detector de barra es deformado por una onda gravitacional: transdutores, o acelerómetros, acoplados a su superficie, transforman esa deformación en una señal eléctrica que puede interprestarse.

Una analogía para un detector de resonancia son los globos de cumpleaños. Una persona que ponga las manos sobre su superficie puede sentir las vibraciones sonoras – que son deformaciones en el aire – producidas por una fuente tal como la música en alto volumen. En este caso, los transdutores serían las manos, que transportan una señal mecánica al cerebro.

Los detectores esferoidales actúan basados en el mismo principio de los de barra, con la diferencia de que, en principio, pueden registrar ondas originarias provenientes de cualquier dirección, mientras que los de barra están restrictos a observaciones en direcciones próximas a los planos perpendiculares a la barra. Los de láser pueden registrar directamente las deformaciones del espacio-tiempo, pero tiene costos prohibitivos para la realidad brasileña.

Aguiar añade: “Además, los detectores esferoidales son capaces de determinar, cada uno de ellos por sí solos, la dirección de donde proviene la onda y su polarización (su forma de deformar el espacio). Los detectores láser, por ejemplo, necesitan estar trabajando en conjunto (por lo menos cuatro de ellos), para obtener la dirección y la polarización de la onda. La gran ventaja de los interferómetros láser, que justifica su alto costo, es la observación simultánea de una gran franja de frecuencias en un único detector”.

EL PROYECTO
El Detector Mário Schenberg: Propuesta para el Proyecto, Construcción y Operación de un Detector de Ondas Esferoidal de 0,6 Metro de Diámetro
Modalidad
Auxilio a proyecto de investigación
Coordinador
Odylio Denys de Aguiar – Instituto Nacional de Investigaciones Espaciales
Inversión
R$ 820.551,75 y US$ 563.000,00

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