Sismógrafos para detectar ondas gravitacionales

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LIGO es sensible a ondas gravitacionales con frecuencia por encima de 20 Hz debido al ruido sísmico. El futuro eLISA será sensible a frecuencias entre 0,1 mHz y 1 Hz. En la banda entre 0,1 y 10 Hz se puede usar la red mundial de sismógrafos para detectar estas ondas usando toda la Tierra como detector. Nos lo proponen Francesco Mulgaria y Alexander Kamenshchik, Univ. Bolonia, Italia.

Por supuesto, hay un problema. No se conocen fuentes astrofísicas que emitan ondas gravitacionales en este rango de frecuencias (entre 0,1 y 10 Hz) con la intensidad suficiente para ser detectadas sismográficmante, es decir, que tengan h > 10–17 para señales transitorias y h > 10–21 para señales periódicas. Aún así, explorar esta posibilidad puede acarrear sorpresas en el futuro.

El artículo es Francesco Mulargia, Alexander Kamenshchik, “The gravitational resolving power of global seismic networks in the 0.1–10 Hz band,” Physics Letters A 380: 1503–1507 (8 April 2016), doi: 10.1016/j.physleta.2016.02.032; me he enterado gracias a “Seismic gravitational-wave detection,” CERN Courier, 20 May 2016.

[PS] La idea no es nueva. Como cita el artículo en PLA ya fue propuesta por F.J. Dyson, “Seismic response of the earth to a gravitational wave in the 1-Hz band,” Astrophys. J., 156: 529–540 (1969), doi: 10.1086/149986 (ADS PDF). Muchos otros la han rescatado desde entonces.

Por cierto, mañana, miércoles 15 de junio de 2016, a las 19:15 hora de Madrid, se anuncian nuevos resultados de LIGO.

Dibujo20160614 density seismic noise for gravitational wave detection phys lett a

El interior de la Tierra está formada por diferentes capas de materiales más o menos elásticos. Al ser atravesados por una onda gravitacional de intensidad suficiente se producirán ondas elásticas (GEW). Estas ondas son combinación de ondas P (compresión) y ondas S (corte o cizalla). En la banda entre 1 y 50 mHz estas ondas no se pueden detectar. Pero en la banda entre 0,1 y 10 Hz el manto amplifica estas ondas lo que permite su detección en superficie.

Mulargia y Kamenshchik proponen combinar la señal de todos los sismógrafos digitales del mundo (~2000 instrumentos) sensibles a la banda de frecuencias entre 0,005 y 10 Hz. El resultado es una señal de ruido sísmico de fondo que podría contener oculta información de las ondas gravitacionales. Para resolver (desvelar) dicha señal se requiere que la intensidad de las ondas gravitacionales sea suficiente. Para una señal transitoria, como la fusión de dos agujeros negros, ser requiere h ≃ [10−16, 10−17], mientras que para señales periódicas, como el movimiento en espiral de dos estrellas de neutrones, se requiere h ≲ 10−21.

Por desgracia las estimaciones teóricas actuales indican que las señales astrofísicas que pueden radiar ondas gravitacionales que alcancen la Tierra con frecuencias por debajo de 10 Hz tiene una amplitud de h ∼ 10−24. Por tanto, por debajo de la sensibilidad de la combinación de los sismógrafos actuales. Ello no impide que este método sismográfico sea útil en un futuro no muy lejano.

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