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Físicos que luchan por observar ondas gravitacionales utilizando condensados ​​de Bose-Einstein


Durante años, el condensado de Bose-Einstein ha fascinado a los físicos sobre lo que podría hacer por otras ramas de la ciencia. Los investigadores esperaban que algún día pudieran utilizar las propiedades cuánticas de los condensados ​​de Bose-Einstein para detectar las ondas gravitacionales del espacio.

Sin embargo, nuevos estudios llevaron a una conclusión decepcionante: cualquier posibilidad de éxito de los condensados ​​de Bose-Einstein para detectar ondas gravitacionales está "fuera del alcance de los métodos actuales".

¿Por qué estudiar las ondas gravitacionales?

Las ondas gravitacionales brindan a los astrónomos una gran cantidad de información sobre nuestra galaxia. Son el resultado de agujeros negros o estrellas de neutrones en las profundidades del espacio. Los astrónomos utilizan actualmente instalaciones de medición de kilómetros de largo para rastrear estos casos de ondas gravitacionales.

En 1916, Einstein teorizó que las masas en movimiento como estrellas gigantes dejan abolladuras en el espacio y el tiempo, que luego se propagan a la velocidad de la luz. Esas "abolladuras" se conocieron como ondas gravitacionales, que se mueven de manera similar a otras ondas como la radio, la luz y la electromagnética.

El problema con los estudios originales de ondas gravitacionales provino de sus debilidades.

La mayoría de las ondas gravitacionales que llegan a la Tierra no tienen suficiente energía para alimentar una aspiradora comercial estándar. Esto los ha convertido en un gran desafío para los físicos.

Un caso en 2015, sin embargo, fascinó a físicos y astrónomos por igual. Dos enormes agujeros negros se fusionaron a unos 1.300 millones de años luz de la Tierra. Uno de esos agujeros negros midió la masa de 36 soles y el otro midió 29 soles.

Cuando los efectos de esa fusión llegaron a la Tierra en septiembre de 2015, la señal débil fue suficiente para registrar movimiento en dos tubos de vacío de cuatro kilómetros de largo en Estados Unidos.

Ese caso fascinó a los investigadores de los laboratorios Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf.

"Cuando las ondas gravitacionales llegaron a la Tierra, acortaron una de las dos distancias de medición en una pequeña fracción de una billonésima de milímetro en ambas instalaciones, mientras que el otro tramo perpendicular se extendió en una cantidad similar", dijo el investigador de HZDR Ralf Schützhold, resumiendo los resultados de sus colegas.

Después de un año de analizar datos, los investigadores habían detectado con éxito ondas gravitacionales más de 100 años después de que Einstein las predijo por primera vez. Esos investigadores ganaron el Premio Nobel de Física 2017.

Cómo los condensados ​​de Bose-Einstein podrían detectar ondas gravitacionales

Si bien los astrofísicos celebraron la investigación de 2016, otros querían saber si las ondas gravitacionales podían detectarse utilizando equipos mucho más pequeños y en instalaciones más pequeñas. Miraron los condensados ​​de Bose-Einstein en busca de una posible respuesta.

Previsto originalmente por Satyendranath Bose y Albert Einstein en 1924, los condensados ​​existen a temperaturas extremadamente bajas. La mayoría de los átomos de metales como el rubidio existen en el mismo estado cuántico, a pesar de ser caóticos como vapores a temperaturas más altas.

"Estos condensados ​​pueden considerarse como vapor muy diluido de átomos individuales que se enfrían al extremo y, por lo tanto, se condensan", explicó Schützhold.

"Al igual que las partículas de luz láser, los átomos de estos condensados ​​de Bose-Einstein se mueven, por así decirlo, en sincronización", dijo Schützhold.

Los físicos esperaban que las ondas gravitacionales pudieran cambiar los fonones (partículas de sonido) en condensados ​​de átomos sincronizados. Entonces, los investigadores podrían detectar y medir esos cambios.

"Esto es un poco similar a una gran tina de agua en la que las ondas generadas por un terremoto cambian las ondas de agua existentes", explicó Schützhold.

Por qué los condensados ​​de Bose-Einstein no funcionan

¿La respuesta breve a por qué no se pueden usar los condensados? No existen en una magnitud lo suficientemente grande como para registrar las ondas gravitacionales.

"Hoy en día, los condensados ​​de Bose-Einstein con, por ejemplo, un millón de átomos de rubidio se obtienen con gran esfuerzo, pero se necesitaría mucho más de un millón de veces esa cantidad de átomos para detectar ondas gravitacionales", dijo Schützhold.

Eso no quiere decir que algún día no pueda ser posible, anotaron los investigadores del HZDR. El equipo quiere observar más de cerca el helio súper enfriado. Si bien el helio no califica como un verdadero condensado de Bose-Einstein, tendría un 10 por ciento de átomos sincronizados. Los investigadores quieren explorar si ese es un porcentaje lo suficientemente alto como para registrar ondas gravitacionales.

"Sin embargo, si el helio superfluido es realmente una forma de detectar ondas gravitacionales sólo se puede demostrar con cálculos extremadamente complejos", concluyó Schützhold.


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