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1 de Enero de 2020
Astrofísica

El observatorio Kagra

El primer detector subterráneo de ondas gravitacionales entra en funcionamiento.

Dentro de la tubería: Envuelta en acero inoxidable y rodeada de rocas empapadas, una de las dos cámaras de vacío de tres kilómetros de longitud se extiende por un túnel húmedo y goteante excavado bajo el monte Ikenoyama, en Japón. El intrincado sistema de láseres y espejos de su interior ha sido diseñado para «sintonizar» las ondas gravitacionales que llegan a nuestro planeta desde la otra punta del cosmos. [ENRICO SACCHETTI]

En síntesis

Desde 2015, la posibilidad de detectar ondas gravitacionales ha revolucionado la astronomía al permitir observar colisiones de agujeros negros y estrellas de neutrones. Actualmente existen en el mundo tres detectores de este tipo.

Japón acaba de concluir la construcción de un cuarto observatorio. El Detector de Ondas Gravitacionales de Kamioka (KAGRA) será el primer instrumento que opere bajo tierra y a temperaturas ultrabajas.

KAGRA permitirá detectar ondas gravitacionales más débiles y medir con mayor precisión la localización de los cataclismos astrofísicos que las causan. También pondrá a prueba nuevas tecnologías para la próxima generación de observatorios.

Las ondas gravitacionales —ondulaciones del espaciotiempo producidas durante fusiones de agujeros negros, colisiones de estrellas de neutrones, explosiones de supernova y otros cataclismos astrofísicos— han revolucionado la astronomía. Predichas por la relatividad general de Einstein y detectadas por primera vez a finales de 2015, un siglo después de que el físico alemán formulase su teoría, estos esquivos susurros del espaciotiempo han comenzado a revelar numerosos detalles de los exóticos astros que los generan. Su estudio ha aportado la primera prueba directa de la existencia de agujeros negros, ha brindado una nueva manera de calcular la velocidad a la que se expande el universo y ha demostrado que las estrellas de neutrones son las principales fuentes de oro, platino y otros elementos pesados del universo. Más allá, puede que algún día permitan vislumbrar cómo era el universo una fracción de segundo después de la gran explosión.

La vanguardia de estas investigaciones se encuentra ahora en un gran complejo subterráneo en el centro de Japón. A más de 200 metros bajo el monte Ikenoyama, en la prefectura de Gifu, y tras casi una década de construcción ininterrumpida, un equipo internacional de científicos, ingenieros y técnicos está terminando de poner a punto el Detector de Ondas Gravitacionales de Kamioka (KAGRA). En el momento de enviar a imprenta este artículo, está previsto que el observatorio comience a funcionar a finales de 2019, momento en que se unirá a los otros tres detectores de ondas gravitacionales que ya existen en el mundo: las dos estaciones gemelas del Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferometría Láser (LIGO), en EE.UU., y el instrumento Virgo, en Italia. Tanto la ubicación japonesa de KAGRA como su orientación con respecto a LIGO y Virgo servirán para comprobar de manera independiente las observaciones de estos últimos y mejorarlas. En conjunto, este cuarteto de instrumentos alcanzará nuevas cotas de sensibilidad y de precisión. Podrá detectar ondas gravitacionales más débiles y determinar sus coordenadas celestes con una agudeza sin precedentes, lo que a su vez permitirá que los telescopios tradicionales puedan apuntar a esas regiones del cielo y sumarse a las observaciones. Las fotografías incluidas en este artículo muestran algunos de los últimos preparativos técnicos antes de que KAGRA comience a «escuchar el cielo».

El observatorio japonés se basa en la misma técnica de detección que emplean LIGO y Virgo, un método conocido como interferometría láser. En él, un haz láser rebota entre dos espejos que se encuentran suspendidos en los extremos de sendas cámaras de vacío con forma de tubería. Estas miden varios kilómetros de largo y son perpendiculares entre sí, con lo que forman una especie de L gigante. El láser permite detectar los cambios de distancia entre los espejos: cuando pasa una onda gravitacional, el espaciotiempo se estira y se encoge brevemente, lo que altera la longitud de las cámaras y, con ello, el tiempo que tarda el láser en recorrer el camino de ida y vuelta. Tales desplazamientos son mínimos, muy inferiores al diámetro de un protón, por lo que el dispositivo debe tener en cuenta o suprimir de algún modo el abanico casi ilimitado de fuentes de ruido, desde las sacudidas provocadas por movimientos sísmicos y mareas hasta las pequeñas vibraciones causadas por aviones y automóviles cercanos, la fauna circundante o incluso las oscilaciones de los átomos de los espejos. Distinguir entre una onda gravitacional genuina y las señales espurias causadas por todos esos fenómenos constituye una tarea abrumadora. En el caso de LIGO y Virgo, tales efectos han generado numerosas falsas alarmas.

Situado bajo una montaña, KAGRA será el primer gran interferómetro láser completamente construido y manejado bajo tierra, lejos de la cacofonía de la superficie terrestre. También será el primero en usar espejos (dos cilindros de 23 kilogramos de cristal de zafiro pulido) enfriados criogénicamente. Eso reducirá de manera drástica las vibraciones térmicas y debería redundar en un aumento de la sensibilidad. Mientras que los espejos de LIGO y Virgo funcionan a temperatura ambiente, los de KAGRA lo harán a unos gélidos 20 grados sobre el cero absoluto.

Ambas características deberían permitir que KAGRA detectase ondas gravitacionales más débiles que las observadas hasta ahora por LIGO y Virgo, pero también presentan algunos inconvenientes. Los sistemas mecánicos que mantienen fríos los espejos generan sus propias vibraciones, y el agua filtrada de la nieve y la lluvia alcanzará los túneles del complejo. Aunque los científicos instalarán láminas de plástico para proteger los delicados equipos, es posible que las operaciones tengan que detenerse durante las épocas más húmedas del año. Pero si todo va según lo previsto, KAGRA no solo efectuará importantes descubrimientos, sino que también permitirá poner a prueba nueva tecnología para una próxima generación de detectores de ondas gravitacionales a lo largo del globo.

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