Imanes como detectores de ondas gravitacionales: una nueva frontera en la astronomía

Un equipo de físicos propone una original técnica para convertir imanes en detectores altamente sensibles de las vibraciones del espacio-tiempo, abriendo así una ventana inédita al universo invisible.

Por Enrique Coperías

Visualización artística de un campo magnético generado por un solenoide mientras una onda gravitacional lo atraviesa, provocando sutiles oscilaciones detectables en el flujo magnético. Imagen generada con DALL-E

Hace apenas una década, las ondas gravitacionales —ondulaciones en el espacio-tiempo provocadas por eventos cósmicos muy energéticos— eran una predicción teórica aún sin demostrar, una de esas piezas elegantes del rompecabezas einsteiniano que muchos dudaban en poder comprobar.

Hoy, las ondas gravitacionales se han convertido en una herramienta revolucionaria para explorar el universo, capaces de revelar fusiones de agujeros negros o estrellas de neutrones a miles de millones de años luz. Pero la revolución, lejos de detenerse, continúa con nuevas ideas que pretenden llevar esta capacidad de escucha cósmica a nuevos terrenos.

La última propuesta, publicada en la revista Physical Review Letters por físicos de la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN), la Universidad de Ginebra y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, es tan audaz como ingeniosa: convertir los imanes estáticos —los mismos que ya se utilizan en muchos experimentos de física de partículas o incluso en aparatos de resonancia magnética— en detectores sensibles de las oscilaciones del espacio-tiempo.

En otras palabras, transformar un campo magnético aparentemente inmutable en un oído cósmico.

El hallazgo: cómo un imán puede detectar ondas gravitacionales

La clave de esta propuesta reside en un efecto poco explorado de las ondas gravitacionales: su capacidad para interactuar con los conductores eléctricos que generan campos magnéticos. Cuando una onda gravitacional atraviesa un imán —más exactamente, un electroimán que produce un campo constante—, induce una leve vibración en los cables que llevan la corriente.

Dicha vibración genera una pequeña componente alterna en el campo magnético, una especie de temblor que puede ser detectado con equipos ultrasensibles.

Es, en cierto modo, un retorno a los orígenes. En los años 60, el físico estadounidense Joseph Weber propuso utilizar barras metálicas —las célebres barras Weber— para detectar las ondas gravitacionales mediante su deformación mecánica. Aunque aquellas primeras tentativas no tuvieron éxito, sentaron las bases de una larga tradición de detectores basados en acoplamientos mecánicos.

El nuevo enfoque recupera esa idea, pero con una vuelta de tuerca: se usa el campo magnético como mediador y el efecto final es electromagnético. Una fusión de lo mecánico y lo cuántico en favor de una sensibilidad sin precedentes.

Un campo que vibra con el universo

Para entender el mecanismo, basta con que nos imaginemos un imán solenoidal —un cilindro largo y estrecho enrollado con cable conductor— por el que circula una corriente continua. Esta genera un campo magnético uniforme en el interior. Cuando una onda gravitacional pasa, distorsiona la geometría del espacio a su alrededor, estirando y comprimiendo el solenoide a la frecuencia de la onda. Esa deformación altera el camino que sigue la corriente, lo que provoca una ligera variación en el campo magnético.

Esa oscilación puede ser detectada con un anillo captor —una bobina— colocado estratégicamente dentro o cerca del campo. Si el sistema está bien diseñado, esa señal minúscula se traduce en un flujo magnético variable que puede medirse mediante un SQUID, un dispositivo cuántico capaz de registrar variaciones de flujo menores que una milmillonésima de milésima del campo terrestre.

Los autores del estudio, Valerie Domcke, Sebastian A. R. Ellis y Nicholas L. Rodd, han cuantificado la sensibilidad potencial de este enfoque utilizando como ejemplo el imán que se usará en el experimento ADMX-EFR, de la Universidad de Illinois en Chicago, destinado a buscar axiones, unas partículas hipotéticas que podrían explicar la materia oscura.

Un imán similar a los que se emplean en resonancias magnéticas

Este imán, similar a los que se emplean en resonancias magnéticas, tiene una longitud de dos metros y genera un campo de unos 10 teslas. Según los cálculos del equipo, podría detectar ondas gravitacionales con una amplitud de deformación del orden de 10⁻²² a frecuencias entre 1 kHz y 10 MHz.

Esa cifra es comparable a la sensibilidad de los interferómetros ópticos como el observatorio LIGO, en Hanford Site (Washington) y Livingston (Luisiana), en sus frecuencias de operación, pero cubre un rango de frecuencias más alto que los detectores actuales.

Estas bandas más elevadas —el dominio del ultrasonido cósmico, por así decirlo— podrían albergar señales de procesos exóticos como la evaporación de agujeros negros, la rotación de partículas ultraligeras alrededor de objetos compactos o ecos del universo primitivo.

Con la oreja puesta todo el rato

Un aspecto crucial del diseño es la resonancia mecánica del imán. Cuando la frecuencia de una onda gravitacional coincide con la frecuencia natural de vibración de la estructura, el efecto se amplifica drásticamente. En ese punto, el imán actúa como una barra Weber tradicional, pero con una lectura mucho más eficaz gracias al acoplamiento electromagnético.

Este fenómeno no solo aumenta la señal, sino que también permite mantener una buena sensibilidad incluso fuera de la frecuencia resonante. Esto supone una mejora respecto a muchos otros métodos de detección que solo operan en un rango estrecho. En cambio, un imán detector puede estar escuchando todo el espectro de forma continua.

Además, si se desea aumentar aún más la sensibilidad en una frecuencia concreta, se puede conectar la bobina captora a un circuito resonante LC. Este sistema actúa como un amplificador natural para las señales de la frecuencia deseada, al precio de reducir el ancho de banda. La versatilidad de esta técnica permite adaptar el detector a distintos escenarios según el tipo de señal esperada.

Cuando dos agujeros negros orbitan uno más cerca del otro, emiten ondas gravitacionales cuya frecuencia aumenta hasta alcanzar un pico cuando los agujeros negros se fusionan. Cortesía: Caltech-MIT-LIGO Laboratory

Potencial oculto en laboratorios ya construidos

Uno de los aspectos más atractivos de esta propuesta es que no requiere construir nuevos dispositivos desde cero. Muchos experimentos actuales, especialmente en el campo de la física de partículas o la búsqueda de materia oscura, ya emplean grandes imanes superconductores que operan a temperaturas criogénicas. «Esperábamos que poder buscar dos señales [por ejemplo, la de los axiones y la de las ondas gravitacionales] en lugar de una aumentaría los argumentos científicos para realizar estos experimentos», apunta Ellis, de la Universidad de Ginebra.

Entre ellos están los proyectos DMRadio, SHAFT, BASE y WISPLC. Si se colocan bobinas captoras adecuadamente diseñadas en sus campos magnéticos, podrían convertirse en detectores duales, y obtener de este modo datos sobre ondas gravitacionales sin interferir con sus objetivos primarios.

Esta posibilidad abre una nueva frontera en la astronomía gravitacional. Frente a los costos multimillonarios de interferómetros como el LIGO y el Virgo, la propuesta de reciclar infraestructuras ya disponibles resulta extraordinariamente eficiente. Y más aún si se considera que puede cubrir un rango complementario de frecuencias, enriqueciendo el mapa vibracional del cosmos.

Además, plantea una reflexión conceptual profunda: en presencia de ondas gravitacionales, ningún campo magnético es verdaderamente estático. La propia estructura del espacio modifica, aunque sea mínimamente, la forma en que los campos se manifiestan. Es un recordatorio de que, en el universo relativista, nada es realmente inmutable.

Del laboratorio a la escucha cósmica

Para verificar la viabilidad de esta técnica, el equipo analizó también las fuentes de ruido que podrían dificultar la detección, desde las vibraciones térmicas hasta las fluctuaciones del propio campo magnético.

Con un aislamiento adecuado —como suspensiones sísmicas y blindajes electromagnéticos—, calculan que se pueden reducir las interferencias a niveles tolerables. Por ejemplo, un blindaje de aleación de hierro-níquel de 5 mm de espesor puede atenuar el ruido ambiental en un factor de diez millones, suficiente para no eclipsar la señal buscada.

La sensibilidad estimada se mantiene estable tanto por debajo como por encima de la frecuencia resonante, gracias a la combinación del acoplamiento mecánico y la lectura electromagnética. Los autores señalan que incluso con una única resonancia mecánica —por ejemplo, a 1,4 kHz— ya se alcanzan niveles notables de sensibilidad, y que la inclusión de más modos vibracionales en el análisis podría mejorar aún más los resultados.

Un paso más hacia el universo oculto

Este trabajo representa una elegante demostración de cómo una comprensión más profunda de los efectos relativistas puede transformar herramientas convencionales en dispositivos de frontera. No se necesita una nueva tecnología futurista: basta con mirar de otra forma lo que ya tenemos.

El concepto de que un imán —aparentemente una pieza estática e inmutable— puede vibrar al ritmo del universo es, además de científicamente fascinante, poéticamente evocador. El campo magnético, que alguna vez se pensó eterno y constante, resulta ser sensible a los susurros del espacio-tiempo.

Los autores concluyen que este tipo de detectores podría complementar los grandes interferómetros actuales, llenar vacíos en el espectro de frecuencias observables y ofrecer una nueva vía para explorar fenómenos astrofísicos o cosmológicos aún desconocidos. Una vez más, la ciencia nos recuerda que el universo tiene muchas formas de hablarnos. Y que a veces, basta con saber escuchar donde nadie había pensado en hacerlo. ▪️

• Fuente: Valerie Domcke, Sebastian A. R. Ellis and Nicholas L. Rodd. Magnets are Weber Bar Gravitational Wave Detectors. Physical Review Letters (2025). DOI: : https://doi.org/10.1103/966v-r5fm