Medir ondas gravitacionales con vidrio

Investigadores de Jena han fabricado resonadores altamente sensibles, completamente de vidrio, para los sensores de vibración del Telescopio Einstein. © Fraunhofer IOF

Visualización: Las ondas gravitacionales son distorsiones del espacio-tiempo causadas, por ejemplo, por la colisión de agujeros negros. © Fraunhofer IOF / Visualización: Las ondas gravitacionales son distorsiones del espacio-tiempo causadas, por ejemplo, por la colisión de agujeros negros. © Fraunhofer IOF

El sensor de vidrio como dibujo: en azul las muelles de lámina, en verde la masa de prueba, en gris el marco exterior, en amarillo un recubrimiento de espejo. © Fraunhofer IOF / El sensor de vidrio como dibujo: en azul las muelles de lámina, en verde la masa de prueba, en gris el marco exterior, en amarillo un recubrimiento de espejo. © Fraunhofer IOF

El resonador de vidrio monolítico con resortes de lámina ultrafinos se fabrica mediante un proceso de unión especial. © Fraunhofer IOF / The monolithic glass resonator with paper-thin leaf springs is manufactured using a special joining process. © Fraunhofer IOF

Visualización del telescopio de Einstein planificado. © Marco Kraan / Nikhef / Visualización del telescopio de Einstein planificado. © Marco Kraan / Nikhef

El telescopio Einstein debería comenzar a explorar las ondas gravitacionales en 2035 con una precisión hasta ahora desconocida. Investigadores de Jena han fabricado sensores de alta sensibilidad completamente de vidrio por primera vez para este telescopio.

Las ondas gravitacionales son distorsiones del espacio-tiempo causadas por eventos astrofísicos extremos, como la colisión de agujeros negros. Estas ondas se propagan a la velocidad de la luz y llevan información valiosa sobre tales eventos a través del universo. El telescopio Einstein pretende medir estas ondas en el futuro con una precisión sin precedentes, convirtiéndose en un instrumento de medición líder mundial para la detección de ondas gravitacionales.

Para minimizar las perturbaciones en las mediciones, el telescopio se construirá hasta a 300 metros bajo tierra. Sin embargo, incluso allí existen vibraciones mecánicas causadas, por ejemplo, por terremotos lejanos o el tráfico en superficie. Sensores de vibración de alta sensibilidad medirán estas vibraciones residuales.

Investigadores del Instituto Fraunhofer para Óptica Aplicada y Mecánica de Precisión IOF en Jena han desarrollado y construido estos sensores de vibración en colaboración con el Instituto Max-Planck para la Física de la Gravitación (Instituto Albert Einstein AEI) en Hannover.

Resonador para sensores de vibración fabricado completamente en vidrio de sílice por primera vez

»Un sensor de vibración de este tipo consta de dos componentes principales: un resonador móvil y un láser que lee el movimiento del resonador«, explica el Dr. Pascal Birckigt, responsable del subproyecto en el Fraunhofer IOF en Jena. El resonador fue fabricado en Jena, el láser en Hannover. »El resonador mecánico es la parte del sensor que convierte las vibraciones del entorno en un movimiento medible, similar a una afinadora de instrumentos.«

Los investigadores del Fraunhofer IOF han creado algo que nunca antes existió: un resonador mecánico delicado, hecho completamente de sílice (>99,8% SiO2). Combina una baja frecuencia propia de 15 Hz con un alto factor de calidad (>100.000) y un tamaño compacto de apenas cinco centímetros de diámetro.

»Los sensores de vibración se colocarán en el entorno inmediato de los espejos, que pesan unos 200 kilogramos, en los detectores de ondas gravitacionales del telescopio Einstein«, explica Birckigt. Habrá tres sensores por espejo. »La sensibilidad de los sensores será tan alta que podrán detectar picos en las ondas sísmicas del Atlántico, situado a aproximadamente 200 kilómetros del lugar del telescopio, claramente visibles en los espectros sísmicos.«

Requisitos complejos para el sensor: el vidrio es la solución

La fabricación completa de los resonadores en vidrio surge de los requisitos complejos del sensor: »En el telescopio Einstein, hay poco espacio disponible para los sensores«, explica Birckigt. »Al mismo tiempo, los sensores deben ser especialmente potentes.« Solo con el vidrio como material se pueden cumplir los requisitos de compacidad, baja frecuencia propia y alta sensibilidad. La clave son las llamadas hojas de muelle en el interior del resonador.

Las hojas de muelle son el corazón del resonador. Permiten su baja frecuencia propia, es decir, la frecuencia a la que el sistema comienza a vibrar. Esto es necesario porque el telescopio Einstein quiere medir ondas de baja frecuencia en el rango de entre 3 y 30 Hz. »Para que esto sea posible, hay dos opciones técnicas«, explica Birckigt. »O se instala una masa de prueba grande dentro del resonador, que reacciona a las vibraciones externas, o se colocan barras flexibles y elásticas, llamadas hojas de muelle, en la masa de prueba.«

Una masa de prueba grande no puede existir debido a la necesidad de que el sensor sea compacto. Por lo tanto, la solución elegida por los investigadores, fabricada en vidrio, son las hojas de muelle: »El vidrio se caracteriza por su alta rigidez«, explica Birckigt. »Prácticamente no muestra deformación plástica. Por ello, es posible fabricar hojas de muelle extremadamente delgadas en vidrio.« Delgado en este caso significa: una sola hoja tiene 0,1 milímetros de grosor, siete centímetros de largo y pesa solo 34 miligramos. Seis de estas hojas mantienen estable y alineada en el interior del resonador la masa de prueba de tres gramos de peso.

Procedimiento especial de fabricación para el resonador de vidrio

La fabricación de un resonador tan delicado y potente a la vez es un proceso complejo. Incluye trabajos de mecanizado y pulido, así como procedimientos de grabado láser. Además, se utiliza un procedimiento de unión especial activado por plasma para crear un enlace a nivel atómico entre las superficies de vidrio del resonador. »Las dos partes se convierten así en una unidad monolítica, es decir, permanente«, explica Birckigt, quien supervisó específicamente los procedimientos de fabricación en el proyecto. »Esto hace que el resonador sea extremadamente estable y preciso.« Los investigadores del Fraunhofer IOF planean seguir desarrollando este método especial de unión sin capas intermedias, con el objetivo de crear estructuras aún más complejas y tridimensionales.

Potencial de aplicación en el espacio y en la fabricación de semiconductores

Los nuevos resonadores de vidrio podrían aplicarse en cualquier lugar donde se requiera monitorear sistemas con una serie de sensores compactos de aceleración o posición. Esto, además de la investigación de ondas gravitacionales, incluye satélites — por ejemplo, para determinar sus trayectorias, mediciones de la superficie terrestre o navegación inercial. También pueden usarse para mejorar la precisión de medición de interferómetros de átomos y en equipos de litografía EUV para procesar semiconductores.

Planificación de la puesta en marcha del telescopio Einstein a partir de 2035

El telescopio Einstein ha estado en desarrollo continuo desde 2008. Es un detector de ondas gravitacionales de tercera generación con una sensibilidad hasta diez veces mayor que los detectores actuales. Se planea comenzar su construcción en 2026, y sus observaciones empezarán a partir de 2035. Según los planes actuales, el lugar para el telescopio será la Euregio Maas-Rhein, en la frontera entre Alemania, Bélgica y los Países Bajos.

El desarrollo de los sensores fue llevado a cabo por investigadores de Jena y Hannover en el marco del proyecto »Tecnologías de vidrio para el telescopio Einstein« (GT4ET).