Lucha contra el ruido

La alta sensibilidad que debe alcanzar Advanced Virgo para observar las diminutas variaciones espacio-temporales inducidas por el paso de ondas gravitacionales a través del detector representa un verdadero desafío. Por un lado, Advanced Virgo está diseñado para maximizar su respuesta a una onda gravitacional (véase Camino óptico). Por otro lado, es necesario eliminar, o al menos suprimir en gran medida, numerosas fuentes de ruido. Entre ellas se encuentran: el movimiento térmico de los átomos que constituyen los espejos y las fibras de las que están colgados; la frecuencia, potencia y fluctuación de apuntamiento del láser; las moléculas de aire presentes en la trayectoria del haz láser; las deformaciones termomecánicas inducidas por la potencia absorbida del láser; las imperfecciones en la calidad óptica de los espejos; el ruido electrónico de los fotodiodos y la electrónica; los ruidos de los sensores y actuadores de los numerosos sistemas de retroalimentación necesarios para mantener Advanced Virgo en su punto de trabajo; los ruidos fundamentales de la propia luz, tal y como se describen en la Mecánica Cuántica…

Además, el entorno natural del que forma parte Advanced Virgo es por sí mismo una fuente de ruidos que hay que filtrar: el movimiento sísmico del suelo, el mal tiempo, los ruidos electromagnéticos o incluso los cambios en el campo gravitatorio local debidos al movimiento de masas alrededor de los espejos de Virgo, entre otros.

Aumentar la señal y reducir todos los ruidos o, como dicen los científicos y científicas, maximizar la relación señal/ruido, es un reto tremendo: las acciones encaminadas a este

Ruidos sísmicos

Virgo se asienta sobre el suelo y ese suelo se mueve todo el tiempo. Los humanos sólo experimentamos esto en el caso de lo que llamamos «terremotos» (un movimiento del suelo lo suficientemente grande como para sentirse), pero este temblor permanente, incluso muy pequeño, es una preocupación para el detector, dada la precisión con la que hay que controlar la posición de sus espejos. Para reducirlo drásticamente, cada uno de los espejos de Virgo está suspendido mediante una larga cadena de péndulos, el Súper Atenuador, alojado en una torre de 10 metros de altura. Su efecto combinado es tal que la amplitud de los movimientos del suelo que tienen una periodicidad de 0,1 segundos o inferior (una frecuencia de 10 Hz o superior) se reduce en un factor 10¹², es decir, ¡más de un billón de veces! Estos súper atenuadores no son sólo pasivos: también sirven para controlar activamente la posición de los espejos. A frecuencias más bajas (movimientos más lentos), estos sistemas rechazan cada vez menos ruido sísmico, cuya contribución pasa a ser dominante. Esto explica por qué los actuales detectores terrestres de ondas gravitacionales son incapaces de detectar señales cuya frecuencia es inferior a unos 10 Hz. Este «muro sísmico» es un límite fundamental para todos estos instrumentos, aunque futuros proyectos, como el Telescopio Einstein subterráneo, prevén desplazar ese límite hasta unos pocos Hz. Utilizar detectores espaciales (como el proyecto LISA) es la única forma de librarse del ruido sísmico.

Terremotos violentos 

Los seísmos suficientemente fuertes (cuya intensidad efectiva depende de la magnitud del seísmo y de la distancia de su epicentro al emplazamiento de Virgo) someten al sistema de control de Virgo a una tensión que puede provocar la pérdida del punto de funcionamiento y la interrupción de la toma de datos. Estas interrupciones pueden durar mucho tiempo: antes de retomar el control de todo el detector, es posible que haya que esperar a que se amortigüe la excitación, creada por la pérdida brusca de control o directamente por el exceso de ruido sísmico.

Para estimar si un terremoto determinado podría superar el control del detector y con el fin de minimizar la posible interrupción, Virgo recibe alertas tempranas del Servicio Geológico de Estados Unidos (USGS). En el caso de los terremotos que se encuentran lo suficientemente lejos de EGO, la alerta es efectivamente «temprana», lo que significa que se recibe antes de que las ondas sísmicas hayan llegado al observatorio. Aunque no hay forma de blindar el detector frente a estas, este retraso adicional puede utilizarse para mitigar el efecto de ondas sísmicas potencialmente fuertes. Además, una colaboración con el Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV) italiano debería conducir a la utilización de un segundo sistema de alerta temprana de terremotos, que complemente al del USGS. Esto proporcionará una cobertura más completa de los seísmos y debería permitir recibir antes las alertas de terremotos cercanos a Italia y, por tanto, a Virgo.

Mal tiempo

Otra fuente de perturbaciones para el detector Virgo es el mal tiempo, es decir, los fuertes vientos y la intensa actividad del mar: las olas que golpean la costa tirrénica producen un ruido sísmico que se propaga hasta el emplazamiento de EGO, a unos 10 kilómetros de distancia. Este temblor de la superficie terrestre es bien conocido por los geofísicos y se denomina microseísmo marino. Los periodos de alta actividad del mar corresponden a una menor sensibilidad de Virgo debido a un mayor ruido sísmico en el observatorio. Además, los microseísmos marinos inducen breves ruidos transitorios (glitches) que afectan a la calidad de los datos y producen señales que pueden interpretarse erróneamente como ondas gravitacionales (falsas alarmas). Los microseísmos marinos también pueden afectar a los componentes del detector en general, aumentando, por ejemplo, el ruido debido a la luz dispersa, reduciendo la precisión del control del detector y, por tanto, su sensibilidad a las ondas gravitacionales.

Los rayos también pueden perturbar a Virgo: tanto en forma de interferencias electromagnéticas como, en un momento posterior, en forma de ondas de presión sonora que inducen vibraciones del suelo y de los componentes mecánicos del detector. 

Ruido térmico

El ruido térmico es toda una clase de ruidos ligados a la agitación térmica aleatoria de los átomos y moléculas que constituyen todas las piezas del detector: cuanto mayor es la temperatura y las pérdidas mecánicas, mayor es dicha agitación y, por tanto, el ruido. Virgo funciona a temperatura ambiente y la principal estrategia para reducir los ruidos térmicos es emplear materiales de muy alta calidad, con baja fricción interna. El principal ruido térmico que limita nuestra sensibilidad procede de los espejos y sus suspensiones: el efecto inducido es una vibración aleatoria de la superficie del espejo que podría enmascarar las señales de las ondas gravitacionales.

No sólo los espejos y sus fibras de suspensión están hechos de un material con bajo ruido térmico intrínseco, sino que también se prefieren grandes puntos láser: esto ayuda a reducir el efecto del ruido térmico promediando la vibración aleatoria de la superficie del espejo sobre una gran área de medición. En los detectores de la próxima generación, los espejos también se enfriarán a temperaturas criogénicas.

Ruido cuántico

En los impresionantes niveles de sensibilidad de un detector interferométrico como Advanced Virgo, la naturaleza cuántica de la luz establece el límite máximo. En el ámbito cuántico, la luz está formada por un flujo de paquetes discretos de energía, los fotones. Estos son «contados» por los fotodetectores utilizados para medir la potencia luminosa, y también empujan los espejos en los que se reflejan. En consecuencia, como el flujo de fotones fluctúa, se generan dos contribuciones de ruido: el ruido de recuento de fotones (o ruido de disparo, dominante a alta frecuencia) y el ruido de presión de radiación (dominante a baja frecuencia); colectivamente, se denominan ruido cuántico.

Estas dos fuentes de ruido varían inversamente con la potencia del láser: el ruido de disparo se reduce con un láser más potente, mientras que el ruido de presión de radiación aumenta con la misma potencia. Por tanto, hay que encontrar un equilibrio entre estos dos efectos para minimizar el impacto de su ruido combinado en la sensibilidad del detector, que en última instancia debería ser buena, tanto a bajas como a altas frecuencias. Para una frecuencia dada de la onda gravitacional que se desea detectar, existe una potencia láser óptima que minimiza la combinación de estos dos ruidos. Esta situación de equilibrio entre el ruido de disparo y el ruido de presión de radiación se denomina Límite Cuántico Estándar.

Sistema de vacío

El sistema de vacío es una parte fundamental de la infraestructura de Virgo. Todos los componentes más críticos, como los espejos de los brazos, el divisor de haz y los espejos de reciclaje, se alojan dentro de torres de vacío para eliminar los ruidos debidos a la presencia de moléculas de aire. Por la misma razón, los haces láser se propagan en el vacío: las cámaras de vacío que albergan las principales ópticas están, por tanto, conectadas por tubos de vacío por los que circula el haz láser. Los tubos más grandes de Virgo, que unen las dos torres de las cavidades Fabry-Perot, tienen 3 kilómetros de largo y 1,2 m de diámetro. La presión del gas residual debe ser extremadamente baja, ¡un billón de veces inferior a la de la atmósfera normal! Esto convierte a Virgo en una enorme cámara de ultra-alto vacío de 6800 m., que es en realidad el mayor sistema de ultra-alto vacío de Europa.

Para alcanzar este valor tan bajo, los tubos de acero inoxidable se han construido siguiendo un proceso metalúrgico especial que implica la desorción de hidrógeno a 400°C; además, una vez instalados y tras bombear el vacío inicial, los tubos se han calentado a 100°C durante varios días para eliminar las moléculas de agua adheridas a la superficie metálica. Por último, se instalan trampas criogénicas en cada extremo de los tubos para detener la migración de moléculas de agua desde las torres sin cocer a los tubos.

Pérdidas ópticas y sistema de compensación térmica

Dado que el principio de detección de las ondas gravitacionales se basa en la luz, perder luz en el detector equivale a perder también parte de las señales de ondas gravitacionales. Por ello, las pérdidas ópticas son críticas en el experimento y deben contenerse a un nivel muy bajo.
Para no perder luz, en primer lugar debemos utilizar ópticas de última generación con un rendimiento excepcional. Las ópticas se fabrican con el mejor vidrio disponible, totalmente transparente y libre de defectos. El pulido se hace a nivel atómico para tener una superficie perfectamente lisa, que disperse mínimamente la luz. Por último, se añade un recubrimiento especial para reflejar más del 99,999% de la luz láser. Todo el proceso de fabricación de las ópticas y su instalación en Virgo debe hacerse en salas blancas, para evitar el polvo y otros contaminantes.

En Virgo, incluso con la excelente óptica, sigue existiendo cierta absorción óptica residual (del orden de unas pocas partes por millón). Esta pequeña absorción, junto con la gran potencia del láser en circulación (más de 100.000 vatios de luz en los brazos), puede tener efectos perjudiciales en el funcionamiento del detector. Así que para compensar esos efectos, se ha implementado un sistema de compensación térmica que puede cambiar a tiempo la forma de algunos componentes ópticos: es como añadir gafas correctoras a algunas ópticas para restablecer el mejor funcionamiento de la máquina.

Ruido de luz dispersa

Para que el experimento funcione correctamente, el rayo láser de Virgo debe seguir una trayectoria bien definida y tener las propiedades espaciales que se esperan del diseño. Sin embargo, parte de la luz abandona la trayectoria principal en varios lugares y se dispersa en otras direcciones. Esto puede deberse a la rugosidad residual de las superficies lisas de la óptica, o a un efecto de la interacción de la luz con imperfecciones en el grueso de la óptica transmisiva, o incluso a las moléculas de gas residuales presentes en las cámaras y tubos de vacío de Virgo y que interactúan con el haz láser principal. La propagación de la luz en direcciones no deseadas también puede deberse a la transmisión o reflexión residual de la óptica. La luz dispersa puede ser perjudicial si más tarde vuelve a acoplarse con el haz principal del interferómetro tras reflejarse en algunas estructuras vibrantes: esto provoca un ruido adicional que puede imitar una señal de onda gravitacional o estropear las señales de control necesarias para mantener el punto de trabajo del detector Virgo. Para luchar contra la luz parásita, Virgo emplea componentes ópticos de muy alta calidad y bajas pérdidas, hace que los haces láser se propaguen en el vacío y añade placas absorbentes de luz cerca de todos los espejos suspendidos, así como en el interior de los tubos de vacío de los brazos de Virgo y en los bancos que soportan la óptica.

Ruido newtoniano

El ruido newtoniano es otra posible fuente de ruido que afecta a un interferómetro de ondas gravitacionales como Virgo. Este ruido tiene su origen en cambios locales dependientes del tiempo en el campo gravitatorio cercano a los espejos de los brazos del interferómetro: estos cambios locales generan una interacción newtoniana (es decir, descrita por la teoría clásica de la gravedad) que mueve el espejo, perturbando así la sensibilidad del detector a las ondas gravitacionales. Los cambios locales del campo gravitatorio pueden deberse, por ejemplo, a las fluctuaciones de densidad que se propagan en el suelo que rodea al detector y a las ondas sísmicas. Las perturbaciones de la densidad atmosférica también son causas del ruido newtoniano: pueden ser generadas, por ejemplo, por ondas de presión (en la región de los infrasonidos) y por fluctuaciones de temperatura. En geofísica, estas fluctuaciones son de gran interés porque aportan información sobre procesos como las rupturas de fallas y las perturbaciones de la densidad atmosférica.

La fuente de Ruido Newtoniano es relevante a bajas frecuencias, es decir, afecta a nuestra capacidad de detectar ondas gravitacionales con frecuencias comprendidas entre 1 y 20 Hz aproximadamente. El Ruido Newtoniano es una interacción directa del entorno con el detector: no se puede poner ningún filtro para cancelar su efecto.

La principal estrategia adoptada para mitigar el Ruido Newtoniano consiste en monitorizar las perturbaciones del campo gravitatorio local utilizando un conjunto de sensores estratégicamente dispuestos, como micrófonos y sismómetros, y luego sustraer de los datos el Ruido Newtoniano medido. Advanced Virgo pondrá en práctica un esquema de este tipo durante los próximos periodos de observación.