Investigadores del Instituto Max Planck y del Laboratorio LIGO del Caltech han desarrollado un método computacional que rediseña completamente los detectores de ondas gravitacionales. Gracias a una herramienta llamada Urania, han logrado encontrar 50 nuevos esquemas ópticos que mejoran radicalmente la sensibilidad respecto al mejor diseño actual, el LIGO Voyager. El estudio se publicó el pasado 11 de abril en Physical Review Journals.
Los detectores de ondas gravitacionales, como el LIGO, Virgo o KAGRA, han revolucionado la astrofísica desde 2015 al detectar por primera vez las arrugas del espacio-tiempo provocadas por colisiones cósmicas. Estos instrumentos, enormes interferómetros ópticos de kilómetros de longitud, han sido diseñados cuidadosamente por humanos para captar señales extremadamente débiles. Sin embargo, un nuevo enfoque automatizado ha demostrado que todavía hay mucho margen de mejora.
Exploración digital sin precedentes
El sistema parte de un “interferómetro universal” (UIFO), una estructura extremadamente flexible compuesta por espejos, divisores de haz y láseres, cuyas propiedades se optimizan de forma continua. El número de configuraciones posibles es astronómico: más de mil millones solo con 10 elementos ópticos, sin contar los parámetros continuos como potencias láser, fases o distancias. Esta cantidad de combinaciones haría inviable una búsqueda manual o incluso por ensayo y error.
Urania convierte este problema en una tarea de optimización continua, simulando digitalmente cada configuración mediante software físico como FINESSE. El algoritmo recurre a una estrategia híbrida: miles de optimizaciones locales en paralelo que, al detectar mejoras, actualizan una base global de soluciones. El sistema ha requerido más de 1,5 millones de horas de CPU para encontrar los mejores diseños.
Cuatro objetivos astrofísicos
Los 50 detectores descubiertos se agrupan según su sensibilidad en diferentes bandas de frecuencia, cada una asociada a un tipo de fenómeno astrofísico:
- Soluciones de banda ancha (20–5000 Hz) para detectar fusiones de agujeros negros o estrellas de neutrones, como las que ya ha observado LIGO.
- Soluciones de baja frecuencia (10–30 Hz), clave para identificar agujeros negros primordiales o medir con precisión la constante de Hubble.
- Diseños para supernovas (200–1000 Hz), que podrían desvelar los procesos internos de estos estallidos estelares aún no observados por ondas gravitacionales.
- Detección de post-merger (800–3000 Hz), crucial para estudiar el estado cuántico de la materia tras la fusión de estrellas de neutrones.
En todos estos casos, los nuevos diseños multiplican la sensibilidad hasta por 5 respecto a LIGO Voyager. En el caso de las señales postmerger, el volumen observable se incrementa en un factor de 68.
Nuevos conceptos físicos y diseños posibles
Lo más interesante es que algunos diseños incluyen principios físicos inéditos para la comunidad. Por ejemplo:
- Interferómetros doblemente bombeados por láseres desde ambos extremos, lo que permite usar fuentes más débiles.
- Efectos de apretado ponderomotriz, que amplifican la señal mediante cavidades ópticas exteriores y espejos ultraligeros.
- Sistemas resonantes y reciclados que optimizan la lectura de señales débiles.
Además, muchos diseños podrían integrarse en los detectores actuales sin necesidad de construir nuevas infraestructuras, lo que hace viable su implementación a corto o medio plazo, como ya ocurrió con la instalación del filtro de apretado cuántico en LIGO.
Hacia un futuro de descubrimientos automatizados
Este trabajo demuestra que la inteligencia artificial no solo sirve para analizar datos científicos, sino también para diseñar los propios instrumentos con los que se recogen esos datos. El éxito de Urania podría extenderse a otros ámbitos de la física experimental, como la búsqueda de materia oscura, energía oscura o fenómenos cuánticos de la gravedad.
Además, el equipo propone que los próximos pasos incluyan simuladores autodiferenciables o modelos basados en redes neuronales para acelerar la búsqueda. En definitiva, esta “exploración digital del espacio experimental” abre nuevas puertas al conocimiento, guiada por algoritmos que encuentran lo que ni siquiera los expertos humanos habían imaginado.
La imagen de representación de esta noticia es una fotografía de Georgia Mansell (Observatorio LIGO Hanford) de uno de los detectores cuánticos de LIGO en funcionamiento.
