Visitando LIGO. First Contact.

LIGO se encuentra a menos de media hora de  Tri-Cities (Washington).

Como teníamos la visita a las 9:00 de la mañana, decidimos pernoctar en Richland en un Motel que nos permitiera salir de la ciudad evitando posibles atascos.

Tras un frugal y poco apetitoso desayuno, nuestro grupo expedicionario (¿no os he dicho que éramos 18 personas?) dirigió la caravana hacia el Observatorio de Hanford.

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Tras un trayecto de 20 minutos nos acercamos al Observatorio.

Pero nos aguarda una sorpresa en la carretera.

La carretera tiene juntas de dilatación que hacen que el coche periódicamente pegue un bote. Sin duda eso generará una vibración en el terreno.

¿Podrá ser vista en el detector de ondas gravitatorias que vamos a visitar?

La vibración que estamos generando los cinco vehículos debería superar con mucho la milésima parte del diámetro de un protón (que es la sensibilidad de Advanced LIGO)

Se lo preguntaremos luego a Amber 🙂

En el Hall de entrada hay varios paneles explicativos. Aquí os dejo el detalle de algunos de ellos.

Es un diagrama temporal (¡ojo!, no espacio-temporal) de los avances teóricos y experimentales relacionados con las ondas gravitacionales.

Paneles
Detalle de paneles informativos en la Exposición del Hall del observatorio de Hanford.

Pero hay “cosas” más interesantes.

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Antena (cilindro-resonante) de Ondas Gravitacionales de Joseph Weber (Original donado por la Universidad de Maryland).

Podemos ver uno de los detectores de aluminio utilizados por Joseph Weber. El primer científico que intento detectar ondas gravitatorias.

Joseph Weber era un ingeniero electrónico experto en tecnologías de radio y microondas y con profundos conocimientos de técnicas de medida de ruido y temperatura.

Su interés en Relatividad General hizo que se tomara un año sabático para profundizar conocimientos con John Wheeler tras el cual comenzó a trabajar en la construcción de sus barras resonantes.

El funcionamiento de esas barras y cilindros se basaba en detectar las microvibraciones originadas en la masa por las deformaciones del espacio-tiempo cuando una onda gravitatacional pasara a su través.

Esas vibraciones serían detectadas por una serie de cristales piezoeléctricos ubicados en la superficie del cilindro (En la imagen Joseph Weber colocando esos cristales).

Los cristales piezoeléctricos son aquellos que ante presiones y deformaciones se polarizan y por tanto generan una pequeña diferencia de potencial que puede observarse con un osciloscopio).

A finales de los años 60 publicó los primeros resultados de eventos detectados que no pudieron ser corroborados por otros grupos científicos. Incluso se puso en duda la metodología utilizada en el análisis de los datos.

Murió convencido de que había detectado ondas gravitatacionales pero no logró (por decirlo de una manera educada) que la comunidad científica aceptara los resultados.

No obstante, él fue el primero que lo intentó en un momento en el que incluso la idea de ondas gravitatacional no era aceptada por todos.

Amber nos explicó cómo “funcionaba” el detector y nos muestra cómo suenan los átomos del cilindro al vibrar.

Otro de los objetos de la exposición es una mesa antivibraciones de las utilizadas en distintas partes del experimento.

Como podéis ver en el detalle, consta de unas patas con un conjunto de muelles a distintos niveles cuyo objetivo es que a la superficie de la mesa no llegue “casi” ninguna vibración del terreno.

Imagina que pones en esa mesa un lápiz vertical sobre su punta. Si lo logras, ni un terremoto lo hace caer… Aunque quizás un soplido, sí…

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Mesa antivibraciones
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“Patas” de la mesa antivibraciones

A mi esa mesa me ha recordado unos dibujos animados de Hanna-Barbera; “The Impossibles”. A falta de mesa siempre puedes pedir ayuda a Coil-man.

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Y por fin la joya de la corona mecánica

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Prototipo del sistema de suspensión del péndulo cuádruple

En la foto está el prototipo del Sistema de suspensión de los espejos de Advanced LIGO. Fue desarrollado entre 2006 y 2008 y permitió las mejoras para la producción de los sistemas que están actualmente instalados desde 2011.

El Sistema de suspensión reduce el ruido sísmico. permite la alineación (longitudinal y angular) del interferómetro (para saber qué es un interferómetro tendrás que esperar un poco) y mantiene el aislamiento térmico de los espejos y las fibras que sostienen el conjunto.

El conjunto es denominado “Quad” y de él cuelgan los espejos que hay en los cuatro puntos críticos del Sistema (los cuatro extremos de los “brazos” (cavidades ópticas) de 4 kilómetros de largo.

Los “Quad”, juntamente con unos sistemas hidráulicos y plataformas de aislamiento, dan al conjunto del interferómetro una sensibilidad de 10-16 m/Hz1/2 a 10 Hz.

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QUAD. Visión frontal.
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QUAD. Visión lateral.

En el prototipo se pueden ver cuatro masas suspendidas en dos hileras separadas (una en primer plano y otra más atrás).

En la frecuencia donde se esperan detectar las ondas gravitacionales (20 Hz) este sistema en cascada (filtro pasivo) reduce las vibraciones en el nivel inferior en un factor de 108 (una parte en 100 millones).

El nivel inferior está suspendido con dos fibras de silicio de 60 centímetros de longitud (no quiero llamarlas fibras ópticas porque no se transmiten información pero  físicamente son parecidas).

La cancelación del ruido comienza en la parte superior mediante muelles de acero triangulares. Un conjunto de imanes y electroimanes en cada una de los niveles utilizan servomotores para disminuir las vibraciones de una etapa a la siguiente. En el último nivel, se encuentra el espejo de 40 kilogramos. El espejo lleva unas trazas de oro por las que pasa una corriente eléctrica. Esta corriente eléctrica (bueno, el capo electrostático de bajo ruido que genera) se usa para controlar la posición del espejo .

Fibra de vidrio de las empleadas en la suspensión del espejo

En la foto superior puede verse como una de las fibras de vidrio soporta una masa de acero.

Cada espejo se suspende de 4 de estas fibras. Cada fibra puede soportar 12.5 Kg.

Las fibras son muy frágiles y si, por descuido, se tocan, los aceites de la piel generarán microfracturas en el espejo que quiebran la propia fibra.

Características físicas de las fibras

Material: Sílice fundida
Diámetro: 0.04 cm
Longitud: 60.2 cm
Masa soportada: 12.5 Kg
Tensión de Trabajo: 1 GPa

¿Y qué es una gran corona sin un gran diamante bajo ella?

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Un espejo similar a los ubicados en el final de los brazos del interferómetro.

Hay varios espejos en el interferómetro. Están fabricados con Sílice fundido (vamos, como cualquier vidrio) pero con unas bajísimas concentraciones de impurezas.

Te puede chocar que el espejo sea transparente. Transparente, pero a la luz visible. Es un espejo para la radiación infrarroja. Eso se consigue eliminando las impurezas de agua en el vidrio. Realmente no es el agua lo que se elimina, sino el grupo hidroxilo (OH).

El grupo OH absorbe el infrarrojo por lo que si no se eliminaran las impurezas, la luz infrarroja sería absorbida y muy pocos fotones resultarían reflejados.

Con el proceso de fabricación (eliminación de OH) se consigue que por cada 3.3 millones de fotones del láser solo uno es absorbido. El resto de fotones es reflejado o atraviesa el espejo sin interactuar con él.

Incluso con esa baja absorción se produce un aumento de temperatura del espejo que deformaría el espejo con la pérdida de la geometría que provocaría una imagen distorsionada en el detector.

¿Cómo contrarrestar esa deformación? Deformando el resto del espejo para mantener la forma original. Es decir, un segundo láser (distinto al principal utilizado para ver las distorsiones que genera la onda gravitatoria) calienta y deforma el espejo de manera contraria de la generada por el láser principal.

Ajuste fino.

Durante nuestra visita se incorporó Kathy que trabaja en el observatorio hermano de Livingstone y nos explicó los eventos que hasta ese momento se habían publicado.

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Nos explicó cómo la diferencia de tiempo en la detección de las dos señales se usa pata ubicar la posición en la esfera celeste. Con dos observatorios la precisión es muy poca como se puede ver por el tamaño de la zona. Con el nuevo detector VIRGO puesto en marcha poco antes de nuestra visita, la cosa mejorará substancialmente. De hecho ya vimos el 27 de Septiembre que así ha sido.

Fue una explicación muy didáctica la que nos realizaron, Hay que tener en cuenta que nuestro grupo era muy heterogéneo. Quitando un par de frikis, claro.

Visitando la Sala de Control de LIGO

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