Calibración de los detectores Advanced LIGO para la detección de la fusión de agujeros negros GW150914

El día 14 de septiembre de 2015, el Observatorio Avanzado de Ondas Gravitacionales por Interferometría Láser (Advanced LIGO por sus siglas en inglés) detectó las ondas gravitacionales originadas en la coalescencia de un par de agujeros negros. Este evento fue bautizado como GW150914. A fin de extraer algún tipo de información de las ondas gravitacionales detectadas, es necesario calibrar el detector. La señal de la onda gravitacional se encuentra codificada en la salida del detector, y la calibración es el proceso mediante el cual dicha señal se descodifica. ¿Cómo anunciaríamos una detección sin este proceso? Con una buena calibración es posible estimar adecuadamente la amplitud (altura) y la fase (punto a lo largo de la oscilación) de la onda gravitacional. Una vez se determinan dichas propiedades, la relatividad general nos permite determinar, por ejemplo, las masas de los agujeros negros que originaron el evento GW150914, la distancia a la que se produjo, la posición celeste... (consultar el resumen científico de astrofísica de GW150914)

La calibración permite a los científicos interpretar la salida del detector en términos de la variación de la longitud de sus brazos (una medida de la deformación provocada por la onda gravitacional). Cuando el detector percibe una onda gravitacional, la longitud de sus brazos cambia alrededor de 1×10⁻¹⁹ m (una diezmilésima parte del diámetro de un protón), de manera que la calibración del detector debe ser, como mínimo, de tal magnitud. Para conseguir este nivel de sensibilidad, los detectores Advanced LIGO están dotados de un conjunto de bucles de control retroalimentados. Estos bucles de control mantienen al detector en las condiciones adecuadas para detectar ondas gravitacionales; el más importante de ellos es el que se encarga de mantener la diferencia de longitud entre los brazos del detector estacionaria. Los científicos construyeron un sofisticado modelo computacional del comportamiento del detector que utiliza varias características del detector como datos de entrada. Estas características también permitieron estimar la incertidumbre de la salida del detector, de gran ayuda a la hora de reconstruir eventos como GW150914 o similares. Para llevar a cabo medidas acertadas de parámetros como la masa de los agujeros negros en colisión es necesaria la calibración más precisa posible.

Una pieza clave en el proceso de calibración es el uso de un láser adicional dirigido hacia los espejos del final de cada detector, denominado actuador por presión de radiación de fotones. Mediante cambios en la potencia del láser es posible producir una variación en la fuerza (debida al retroceso de los fotones) sobre la superficie del espejo. Dicha fuerza es capaz de perturbar la posición del espejo alejándolo del equilibrio de manera controlada de manera que los detectores Advanced LIGO perciben el cambio realizado. Estas perturbaciones son del orden de las producidas por una onda gravitacional, alrededor de 1×10⁻¹⁹ m. Es un hecho notorio que los fotones emitidos por un pequeño láser de alrededor de un vatio de potencia sean capaces de mover un espejo de 44 kg una distancia suficientemente grande como para que los detectores Advanced LIGO puedan medirla.

En el momento del evento GW150914, los detectores Advanced LIGO habían sido calibrados mediante comparaciones entre los modelos computacionales del detector y la respuesta física del detector a los actuadores por presión de radiación de fotones. Se estimó una incertidumbre de menos del 10% en la amplitud de onda y de 10 grados en la fase. A largo plazo, se espera reducir la incertidumbre de los detectores hasta el punto que no limiten de manera importante las medidas astrofísicas realizadas.

Para leer más:

Articulo completo donde se describen los detalles del análisis y los resultados disponible en arXiv.org y papers.ligo.org.

Glosario

Agujero negro: Un agujero negro es el remanente de una estrella masiva que ha alcanzado el final de su vida. Una estrella masiva colapsa sobre sí misma al acabar todo su combustible nuclear; este proceso puede dar lugar a un agujero negro: un objeto tan masivo y denso que nada, ni la luz, puede escapar de él. Normalmente sólo pueden ser observados por el efecto gravitacional que provocan en objetos cercanos, como nubes de gas o estrellas.
Bucle de control retroalimentado: Un bucle de control retroalimentado es un sistema que se encarga de regular el comportamiento de un aparato. Un ejemplo habitual de bucle de servocontrol es el control de velocidad de muchos automóviles: Una vez encendido, el bucle mantiene la velocidad del automóvil sin necesidad de recibir instrucciones del conductor.
Deformación ("strain" en inglés): El cambio relativo de la distancia entre dos puntos debido a la deformación del espacio tiempo producida por una onda gravitacional.

Figuras de la publicación

Para más información sobre el significado de estas figuras, mira el "preprint" en arXiv.org.

Diagrama simplificado de un interferómetro de Advanced LIGO. Cuatro masas de test altamente reflectantes forman dos interferómetros de Fabry-Perot en la Tierra, en un plano horizontal. En la esquina inferior izquierda, un espejo reciclador de potencia situado entre el láser y el divisor de haz aumenta la potencia almacenada en los brazos hasta los 100 kW. Un espejo reciclador de señal, situado entre el divisor de haz y el fotodetector, modifica la respuesta en frecuencia del interferómetro a fluctuaciones que involucren diferencias en la longitud de los brazos. Por motivos de claridad, únicamente se muestra el nivel de suspensión más bajo. En el recuadro: Detalle de uno de los péndulos cuádruples de doble cadena que forman parte del sistema de suspensión.

Diagrama de bloques del bucle de control. La función de medida, el filtro digital y la función de actuación se combinan para formar la función de transferencia.