La detección de mensajes interestelares ocultos en las ondas gravitacionales
Un nuevo estudio describe cómo las ondas gravitacionales son mejores métodos de transmisión de información para una civilización avanzada que las ondas de radio
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Cuando los astrónomos detectaron las primeras ondas gravitacionales, predichas desde hacía mucho tiempo, en 2015, se abrió una ventana completamente nueva al Universo. Antes de eso, la astronomía dependía de las observaciones de la luz en todas sus longitudes de onda.
También usamos la luz para comunicarnos, principalmente ondas de radio. ¿Podríamos usar ondas gravitacionales para comunicarnos?
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La idea es intrigante, aunque está más allá de nuestras capacidades actuales. Aún así, vale la pena explorar lo hipotético, ya que el futuro tiene una forma de llegar antes de lo que a veces pensamos.
La investigación
Una nueva investigación examina la idea y cómo podría aplicarse en el futuro. Se titula "Comunicación Gravitacional: Fundamentos, Estado del Arte y Visión Futura", y está disponible en el sitio de preimpresión arxiv.org. Los autores son Houtianfu Wang y Ozgur B. Akan. Wang y Akan pertenecen al Grupo de Internet de Todo, Departamento de Ingeniería, Universidad de Cambridge, Reino Unido.
"Las ondas gravitacionales pueden mantener una calidad de señal constante a distancias inmensas, lo que las hace adecuadas para misiones más allá del sistema solar". Houtianfu Wang y Ozgur B. Akan.
"El descubrimiento de las ondas gravitacionales ha abierto una nueva ventana de observación para la astronomía y la física, ofreciendo un enfoque único para explorar las profundidades del universo y los fenómenos astrofísicos extremos. Más allá de su impacto en la investigación astronómica, las ondas gravitacionales también han atraído una atención generalizada como un nuevo paradigma de comunicación", explican los autores.
Ventajas de la comunicación por ondas gravitacionales
Las comunicaciones electromagnéticas tradicionales tienen inconvenientes y limitaciones definidos. Las señales se debilitan con la distancia, lo que restringe el alcance. Los efectos atmosféricos pueden interferir con las comunicaciones de radio y difuminarlas y distorsionarlas. También existen restricciones de línea de visión, y el clima solar y la actividad espacial también pueden interferir.
Lo prometedor de la comunicación por ondas gravitacionales (CWC) es que podría superar estos desafíos. La CWC es robusta en entornos extremos y pierde una energía mínima a distancias extremadamente largas. También supera los problemas que afectan a la comunicación electromagnética (CEM), como la difusión, la distorsión y la reflexión. También existe la intrigante posibilidad de aprovechar las OG creadas de forma natural, lo que significa reducir la energía necesaria para crearlas.
"La comunicación gravitacional, también conocida como comunicación por ondas gravitacionales, promete superar las limitaciones de la comunicación electromagnética tradicional, permitiendo una transmisión robusta a través de entornos extremos y vastas distancias", señalan los autores.
El desafío de generar ondas gravitacionales
Para avanzar en la tecnología, los investigadores necesitan crear ondas gravitacionales (OG) artificiales en el laboratorio. Ese es uno de los principales objetivos de la investigación de OG. Las OG son extremadamente débiles, y solo masas enormes que se mueven rápidamente pueden generarlas. Incluso las OG que hemos detectado procedentes de la fusión de agujeros negros supermasivos (SMBH), que pueden tener miles de millones de masas solares, producen solo efectos minúsculos que requieren instrumentos increíblemente sensibles como LIGO para detectarlos.
Generar OG que sean lo suficientemente fuertes como para ser detectables es un primer paso necesario.
"La generación de ondas gravitacionales es fundamental para avanzar en la comunicación gravitacional, pero sigue siendo uno de los principales desafíos en el desarrollo tecnológico contemporáneo", escriben los autores. "Los investigadores han explorado varios métodos innovadores para lograr esto, incluyendo la resonancia mecánica y los dispositivos rotacionales, los materiales superconductores y las colisiones de haces de partículas, así como técnicas que involucran láseres de alta potencia y campos electromagnéticos".
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Hay mucho trabajo teórico detrás de la CWC, pero menos trabajo práctico. El artículo señala qué dirección debe tomar la investigación para cerrar la brecha entre los dos.
Obviamente, no hay forma de recrear un evento tan asombroso como la fusión de un agujero negro en un laboratorio. Pero sorprendentemente, los investigadores han estado considerando el problema desde 1960, mucho antes de que hubiéramos detectado las OG.
Una de las primeras tentativas involucró masas rotatorias. Sin embargo, la velocidad de rotación requerida para crear OG era imposible de alcanzar, en parte porque los materiales no eran lo suficientemente fuertes. Otros intentos y propuestas involucraron cristales piezoeléctricos, superfluidos, haces de partículas e incluso láseres de alta potencia. El problema con estos intentos es que si bien los físicos entienden la teoría detrás de ellos, aún no tienen los materiales adecuados. Algunos intentos generaron OG, creen los científicos, pero no son lo suficientemente fuertes como para ser detectables.
"Las ondas gravitacionales de alta frecuencia, a menudo generadas por masas o escalas más pequeñas, son factibles para la producción artificial en condiciones de laboratorio. Pero siguen siendo indetectables debido a sus bajas amplitudes y la falta de coincidencia con las sensibilidades de los detectores actuales", explican los autores.
Obstáculos y direcciones de investigación
Se necesitan tecnologías de detección más avanzadas o algún método para alinear las OG generadas con las capacidades de detección existentes. Las tecnologías existentes están destinadas a detectar OG de eventos astrofísicos. Los autores explican que "La investigación debe centrarse en el diseño de detectores capaces de operar en rangos más amplios de frecuencia y amplitud".
Si bien las OG evitan algunos de los problemas que afectan a las comunicaciones EM, no están exentas de problemas. Dado que pueden viajar vastas distancias, la CWC presenta problemas de atenuación, distorsión de fase y cambios de polarización al interactuar con cosas como la materia densa, las estructuras cósmicas, los campos magnéticos y la materia interestelar. Estos no solo pueden degradar la calidad de la señal, sino que también pueden complicar la decodificación.
También hay fuentes de ruido únicas a considerar, incluido el ruido gravitacional térmico, la radiación de fondo y las señales de OG superpuestas. "El desarrollo de modelos de canal integrales es esencial para garantizar una detección confiable y eficiente en estos entornos", escriben los autores.
Para poder utilizar las OG, también necesitamos descubrir cómo modularlas. La modulación de la señal es fundamental para las comunicaciones. Mira cualquier radio de coche y verás "AM" y "FM". AM significa "Modulación de Amplitud" y FM significa "Modulación de Frecuencia". ¿Cómo podríamos modular las OG y convertirlas en información significativa?
Modulación de ondas gravitacionales y perspectivas futuras
"Estudios recientes han explorado diversos métodos, incluyendo la modulación de amplitud (AM) basada en fenómenos astrofísicos, la modulación de frecuencia (FM) inducida por la materia oscura, la manipulación de materiales superconductores y enfoques teóricos basados en la no metricidad", escriben los autores. Cada uno de estos es prometedor además de estar lleno de obstáculos.
Por ejemplo, podemos teorizar sobre el uso de materia oscura para modular señales de OG, pero ni siquiera sabemos qué es la materia oscura. "La modulación de frecuencia que involucra materia oscura escalar ultraligera (ULDM) depende de suposiciones inciertas sobre las propiedades y la distribución de la materia oscura", escriben los autores, abordando un elefante en la habitación.
Puede parecer que la CWC está fuera de alcance, pero encierra tanta promesa que los científicos no están dispuestos a abandonarla. En las comunicaciones del espacio profundo, la comunicación EM se ve obstaculizada por las vastas distancias y la interferencia de los fenómenos cósmicos. La CWC ofrece soluciones a estos obstáculos.
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Un mejor método para comunicarse a largas distancias es fundamental para explorar el espacio profundo, y la CWC es exactamente lo que necesitamos. "Las ondas gravitacionales pueden mantener una calidad de señal constante a distancias inmensas, lo que las hace adecuadas para misiones más allá del sistema solar", escriben los autores.
La comunicación práctica por ondas gravitacionales está muy lejos. Sin embargo, lo que una vez fue solo teórico está pasando gradualmente a lo práctico.
"La comunicación gravitacional, como una dirección de investigación de vanguardia con un potencial significativo, está pasando gradualmente de la exploración teórica a la aplicación práctica", escriben Wang y Akan en su conclusión. Dependerá del trabajo duro y de futuros avances.
El par de investigadores sabe que se necesita mucho trabajo duro para avanzar en la idea. Su artículo es profundamente detallado y completo, y esperan que sea un catalizador para ese trabajo.
"Aunque un sistema de comunicación por ondas gravitacionales totalmente práctico sigue siendo inviable, nuestro objetivo con este estudio es destacar su potencial y estimular una mayor investigación e innovación, especialmente para escenarios de comunicación espacial", concluyen.
Cuando los astrónomos detectaron las primeras ondas gravitacionales, predichas desde hacía mucho tiempo, en 2015, se abrió una ventana completamente nueva al Universo. Antes de eso, la astronomía dependía de las observaciones de la luz en todas sus longitudes de onda.