¿Manipular la gravedad mediante luz?

Cuando dos agujeros negros o estrellas de neutrones chocan y se fusionan, se generan ondas gravitacionales. Estas se propagan a la velocidad de la luz y causan pequeñas distorsiones en el espacio-tiempo. Albert Einstein predijo su existencia, y la primera observación experimental directa data de 2015. Ahora, un físico teórico va un paso más allá. Ha concebido un experimento mediante el cual las ondas gravitacionales no solo pueden observarse, sino incluso manipularse.

Este físico, el profesor Ralf Schützhold, del Centro Helmholtz de Dresde-Rossendorf (HZDR) en Alemania, argumenta que la gravedad afecta a todo, incluida la luz; y que esta interacción también ocurre cuando las ondas gravitacionales y las ondas de luz se encuentran.

La idea de Schützhold es transferir pequeños paquetes de energía de una onda de luz a una onda gravitacional. Al hacerlo, la energía de la onda de luz se reduce ligeramente y la energía de la onda gravitacional aumenta en la misma medida. Esta energía es igual a la de uno o varios gravitones, las partículas de intercambio de gravedad que se han postulado en modelos teóricos, pero aún no se han demostrado. "Esto haría que la onda gravitacional se volviera ligeramente más intensa", explica el físico. La onda de luz, en cambio, perdería exactamente la misma cantidad de energía, lo que provocaría un cambio mínimo en su frecuencia.

"El proceso también puede funcionar a la inversa", subraya Schützhold. En este caso, la onda gravitacional transfiere un paquete de energía a la onda de luz. Debería ser posible medir ambos efectos, aunque ello requerirá un considerable esfuerzo tecnológico. Schützhold ha calculado las enormes dimensiones de un experimento de este tipo: potencialmente, los pulsos láser en el rango espectral visible o infrarrojo cercano podrían reflejarse entre dos espejos hasta un millón de veces. En una configuración con aproximadamente un kilómetro de longitud, esto produciría una longitud de trayectoria óptica de alrededor de un millón de kilómetros. Este orden de magnitud es suficiente para realizar la medición deseada del intercambio de energía causado por la absorción y emisión de gravitones cuando la luz y una onda gravitacional se encuentran.

Hay que tener en cuenta que el cambio en la frecuencia de la onda lumínica causado por la absorción o liberación de energía de uno o más gravitones en interacción con la onda gravitacional es extremadamente pequeño. No obstante, mediante un interferómetro construido del modo adecuado, debería ser posible registrar estos cambios de frecuencia. En el proceso, dos ondas de luz experimentan cambios de frecuencia diferentes, dependiendo de si absorben o emiten gravitones. Tras esta interacción y al recorrer el camino óptico, se superponen de nuevo y generan un patrón de interferencia. A partir de esto, es posible inferir el cambio de frecuencia acaecido y, por tanto, la transferencia de gravitones.

Representación básica del montaje interferométrico para la luz bajo la influencia de una onda gravitacional. (Imagen: B. Schröder / HZDR)

El estudio se titula “Stimulated Emission or Absorption of Gravitons by Light”. Y se ha publicado en la revista académica Physical Review Letters. (Fuente: NCYT de Amazings)