Huellas dejadas en la luz por arrugas en el espacio-tiempo

Las ondas gravitacionales son perturbaciones en el espacio-tiempo producidas por fenómenos cósmicos violentos, como por ejemplo la fusión de agujeros negros. Hasta ahora, las detecciones directas de ondas gravitacionales se han basado en la medición de pequeños cambios de distancia mediante instalaciones de tamaño kilométrico. En un nuevo estudio, unos científicos proponen un enfoque poco convencional: rastrear cómo las ondas gravitacionales modifican la luz emitida por los átomos bajo determinadas circunstancias. Esto podría proporcionar una nueva vía de detección de ondas gravitacionales.

El estudio es obra de un equipo internacional integrado, entre otros, por Jerzy Paczos y Navdeep Arya, de la Universidad de Estocolmo en Suecia.

Cuando los átomos, tras haber sido excitados, se relajan de manera natural, emiten luz a una frecuencia característica, un proceso cuántico conocido como emisión espontánea. Esto ocurre a través de su interacción con el campo electromagnético cuántico.

Las ondas gravitacionales modulan el campo cuántico, lo que a su vez afecta a la emisión espontánea. Esta modulación puede modificar las frecuencias de los fotones emitidos con respecto a las que tendrían sin la intervención de ondas gravitacionales.

El equipo de investigación predice que la emisión se vuelve dependiente de la dirección: los átomos emiten fotones a la misma tasa general (razón por la cual este efecto se había pasado por alto hasta ahora), pero las frecuencias de los fotones varían con la dirección de emisión. Este patrón espectral direccional codificaría la dirección y la polarización de la onda y podría ayudar a distinguir entre la señal y el “ruido” de fondo.

Las ondas gravitacionales modifican la frecuencia (color) de la luz emitida por los átomos según la dirección de emisión. Las mediciones precisas de estos cambios de frecuencia podrían ofrecer una nueva forma de detectar ondas gravitacionales. (Imagen: Jerzy Michal Paczos)

Las ondas gravitacionales de baja frecuencia son un objetivo principal para los futuros observatorios espaciales. Los autores del estudio señalan que las transiciones ópticas estrechas utilizadas en las plataformas de relojes atómicos ofrecen largos tiempos de interacción, lo que potencialmente convierte a los sistemas de átomos fríos en un banco de pruebas prometedor.

Los átomos emiten luz como una tecla de piano que mantiene un tono constante, pero una onda gravitacional cambia cómo suena la nota en diferentes direcciones.

En definitiva, lo planteado en el estudio puede abrir un camino hacia el diseño de detectores compactos de ondas gravitacionales.

El estudio se titula “Gravitational wave imprints on spontaneous emission”. Y se ha publicado en la revista académica Physical Review Letters. (Fuente: NCYT de Amazings)