Los interferómetros son herramientas de investigación utilizadas en muchos campos de la ciencia y la ingeniería. Se llaman interferómetros porque funcionan fusionando dos o más fuentes de luz para crear un patrón de interferencia, que puede ser medido y analizado; de ahí lo de ‘Interfere-o-meter’, o interferómetro. Los patrones de interferencia generados por los interferómetros contienen información sobre el objeto o fenómeno estudiado. A menudo se utilizan para realizar mediciones muy pequeñas que no se pueden conseguir de ninguna otra manera. Por eso son tan potentes para detectar ondas gravitacionales: ¡los interferómetros de LIGO están diseñados para medir una distancia de 1/10.000 de la anchura de un protón!

Los interferómetros, ampliamente utilizados hoy en día, fueron inventados en realidad a finales del siglo XIX por Albert Michelson. El interferómetro de Michelson se utilizó en 1887 en el «Experimento Michelson-Morley», que se propuso demostrar o refutar la existencia del «éter luminífero», una sustancia que en aquella época se creía que impregnaba el Universo. Todos los interferómetros modernos han evolucionado a partir de este primero, ya que demostró cómo se pueden utilizar las propiedades de la luz para realizar las mediciones más pequeñas. La invención de los láseres ha permitido a los interferómetros realizar las mediciones más pequeñas imaginables, como las que requiere LIGO.

Notablemente, la estructura básica de los interferómetros de LIGO difiere poco del interferómetro que Michelson diseñó hace más de 125 años, pero con algunas características añadidas, descritas en el Interferómetro de LIGO.

¿Cómo es un interferómetro?

Debido a su amplia aplicación, los interferómetros vienen en una variedad de formas y tamaños. Se utilizan para medir desde las más pequeñas variaciones en la superficie de un organismo microscópico, hasta la estructura de enormes extensiones de gas y polvo en el Universo lejano, y ahora, para detectar ondas gravitacionales. A pesar de sus diferentes diseños y de las diversas formas de utilización, todos los interferómetros tienen algo en común: superponen haces de luz para generar un patrón de interferencia. La configuración básica de un interferómetro láser de Michelson se muestra a la derecha. Consta de un láser, un divisor de haz, una serie de espejos y un fotodetector (el punto negro) que registra el patrón de interferencia.

¿Qué es un patrón de interferencia?

Para comprender mejor el funcionamiento de los interferómetros, es conveniente entender mejor la «interferencia». Cualquiera que haya tirado piedras a un estanque o piscina plana y acristalada y haya observado lo que ocurre sabe lo que es la interferencia. Cuando las piedras golpean el agua, generan ondas concéntricas que se alejan de la fuente. Y cuando dos o más de esas ondas concéntricas se cruzan, interfieren entre sí. Esta interferencia puede dar lugar a una onda más grande, a una más pequeña o a ninguna. El patrón visible que se produce donde las ondas se cruzan es simplemente un patrón de «interferencia».

Los principios de la interferencia son sencillos de entender. Dos o más ondas interactúan. Se suman las alturas de las ondas separadas cuando interactúan, y la onda resultante es el patrón de «interferencia». La figura de la derecha muestra dos tipos específicos de interferencia: la interferencia constructiva total y la interferencia destructiva total. La interferencia constructiva total se produce cuando los picos y valles de dos (o más) ondas se encuentran perfectamente. Cuando se suman, se «construye» una onda mayor, cuyo tamaño es igual a la suma de las alturas (¡y profundidades!) de las dos ondas en cada punto en el que interactúan físicamente. La interferencia destructiva total se produce cuando los picos de una o más ondas se encuentran y coinciden con los valles de una onda idéntica. Si se suman, se anulan entre sí (es decir, se «destruyen» mutuamente).

En la naturaleza, los picos y los valles de una onda no siempre se encuentran perfectamente con los picos o los valles de otra onda, como muestra la ilustración. Convenientemente, independientemente de lo sincronizadas que estén cuando se fusionan, la altura de la onda resultante de la interferencia siempre es igual a la suma de las alturas de las ondas que se fusionan a lo largo de cada punto en el que interactúan físicamente. Por tanto, cuando las ondas se encuentran un poco desincronizadas, puede producirse una interferencia parcial constructiva o destructiva. La siguiente animación ilustra este efecto. La onda negra muestra el resultado de sumar los picos y valles de las ondas rojas y azules a medida que se desplazan (interfieren) entre sí. La suma de las alturas/profundidades de cada una de las ondas en cada punto a medida que se desplazan entre sí da como resultado la onda negra. Obsérvese que experimenta un rango completo de alturas, desde el doble de alto/profundo (interferencia constructiva total) hasta plano (interferencia destructiva total). En este ejemplo, la onda negra es el patrón de interferencia (el patrón que resulta de la interferencia continua de la onda roja y azul). Obsérvese cómo sigue cambiando mientras las ondas roja y azul sigan interactuando.

La onda negra cambiante es el patrón de interferencia creado por las ondas roja y azul al atravesar/interactuar entre sí.

Paralelos con la luz

Sucede que las ondas de luz se comportan igual que las ondas de agua. Cuando dos haces de luz láser se fusionan, también generan un patrón de interferencia que depende de lo bien alineadas que estén las ondas de luz cuando se combinan. Al igual que en el agua, cuando los picos de las ondas de un haz se encuentran perfectamente con los valles del otro, se produce una interferencia destructiva total. En el agua, el resultado es que no hay onda. En la luz, el resultado es que no hay luz. Por el contrario, cuando los picos de un haz se encuentran perfectamente con los picos de otro, se produce una interferencia constructiva total. De nuevo, en el agua, la altura de la onda resultante es igual a la suma de las alturas de las dos ondas; en la luz, el resultado es una luz igual a la suma de las intensidades de los dos haces de luz separados. Llevando esta analogía hasta el final, en el agua, cuando las ondas se atraviesan unas a otras pueden experimentar una gama completa de interferencias, desde las parciales hasta las totales, constructivas y destructivas (onda mayor, onda menor, sin onda). En la luz, el resultado es una gama completa de brillo, desde la oscuridad hasta la suma de las intensidades de los haces que interactúan.

Paralelismos entre la interferencia constructiva y destructiva en el agua y con la luz. (Adaptado de www.explainthatstuff.com)

Volviendo a los interferómetros de LIGO, lo que dicta lo bien alineados que están los haces cuando se fusionan es la distancia que recorren antes de fusionarse. Si los haces recorren exactamente la misma distancia, sus ondas de luz estarán perfectamente alineadas, de modo que darán lugar a una interferencia destructiva total (LIGO está diseñado deliberadamente para que esto ocurra si no pasan ondas gravitacionales). Pero si por alguna razón los láseres no recorren las mismas distancias, sus ondas de luz dejan de estar sincronizadas al fusionarse, lo que significa que no llega al fotodetector ninguna luz, una luz escasa o una luz tan brillante como el rayo láser original. Y si los brazos cambian de longitud a lo largo del tiempo, aparece un parpadeo ya que los haces experimentan un rango de interferencia dependiendo de cómo se encuentren en cada momento.

¿Cómo afectan las ondas gravitacionales al interferómetro de LIGO?

Las ondas gravitacionales hacen que el propio espacio se estire en una dirección y simultáneamente se comprima en una dirección perpendicular. En LIGO, esto hace que un brazo del interferómetro se alargue mientras el otro se acorta, y luego viceversa, de un lado a otro mientras pasa la onda. El término técnico para este movimiento es movimiento de «brazo diferencial», o desplazamiento diferencial, ya que los brazos están cambiando simultáneamente las longitudes de manera opuesta, o diferencialmente.

Como se ha descrito anteriormente, a medida que las longitudes de los brazos cambian, también lo hace la distancia recorrida por cada rayo láser. Un rayo en un brazo más corto regresará al divisor de rayos antes que el rayo en un brazo más largo, luego la situación cambia a medida que los brazos oscilan entre ser más largos y más cortos. Al llegar en momentos diferentes, las ondas de luz ya no se juntan bien cuando se recombinan en el divisor del haz. En su lugar, se desplazan dentro y fuera de la alineación o «fase» a medida que se fusionan mientras la onda hace oscilar las longitudes de los brazos. En términos sencillos, esto da lugar a un parpadeo de la luz que sale del interferómetro. Este proceso se ilustra en el clip de la derecha de Los mensajeros de Einstein.

Aunque en principio la idea parece casi sencilla, en la práctica, detectar ese parpadeo no lo es. ¡El cambio en la longitud del brazo causado por una onda gravitacional puede ser tan pequeño como una décima parte de la anchura de un protón (eso es 10-19 m)! Además, encontrar un parpadeo de ondas gravitacionales entre todos los demás parpadeos que experimenta LIGO (causados por cualquier cosa que pueda sacudir los espejos, como terremotos o tráfico en las carreteras cercanas) es otra historia. La Tecnología LIGO describe con detalle cómo LIGO filtra gran parte de ese «ruido» para poder detectar el revelador «parpadeo» de luz causado por una onda gravitacional.