LISA Pathfinder supera las expectativas
La misión LISA Pathfinder de la ESA ya ha demostrado la tecnología necesaria para construir un observatorio de ondas gravitatorias en el espacio. Ésa ha sido la conclusión extraída de la presentación de resultados de la misión celebrada en el Centro Europeo de Astronomía Espacial (ESAC). La demostración de la tecnología necesaria para una futura misión de detección de ondas gravitatorias desde el espacio ha sido un éxito y, en palabras de Favio Favata, jefe de la Oficina de Coordinación del Directorado de Ciencia de la ESA, Europa entra en un campo nuevo, innovador y muy avanzado.
Tras solo dos meses de operaciones científicas, los resultados muestran que los dos cubos alojados en la nave se encuentran en caída libre, bajo la influencia exclusiva de la gravedad y sin someterse a otras fuerzas externas, con una precisión más de cinco veces mayor de lo exigido inicialmente.
En un artículo publicado hoy en Physical Review Letters, el equipo de LISA Pathfinder demuestra que las masas de prueba son prácticamente inmóviles una respecto de la otra, con una aceleración inferior a una diez millonésima de mil millonésima de la gravedad terrestre.
La demostración de las tecnologías clave de la misión abre la puerta al desarrollo de un gran observatorio espacial, capaz de detectar ondas gravitatorias procedentes de una gran variedad de objetos exóticos en el Universo.
Predichas por Albert Einstein hace un siglo, las ondas gravitatorias son ondulaciones en el tejido espacio-temporal que se mueven a la velocidad de la luz y que está causadas por la aceleración de objetos masivos.
Pueden ser generadas, por ejemplo, por supernovas, fuentes binarias de estrellas de neutrones girando unas alrededor de las otras, y parejas de agujeros negros emergentes.
No obstante, incluso partiendo de estos potentísimos objetos, en el momento de llegar a la tierra estas fluctuaciones espacio-temporales prácticamente han desaparecido, reduciéndose a menos de una cienmillonésima de billonésima parte.
Es necesario disponer de tecnologías muy avanzadas para registrar estos minúsculos cambios, por lo que las ondas gravitatorias no fueron detectadas de forma directa por primera vez hasta septiembre de 2015, cuando fueron captadas por el Observatorio de interferometría láser de ondas gravitatorias (LIGO).
Durante este experimento se vio la señal característica de dos agujeros negros, cada uno con una masa unas 30 veces mayor a la del Sol, girando mientras se acercaban durante los 0,3 segundos finales antes de unirse para formar un único objeto más masivo.
Las señales detectadas por LIGO tienen una frecuencia de unos 100 Hz, pero las ondas gravitatorias se extienden por un espectro mucho mayor. En particular, las oscilaciones de frecuencia más baja están asociadas a eventos aún más exóticos, como la fusión de agujeros negros supermasivos.
Con masas hasta miles de millones de veces mayores a la del Sol, estos agujeros negros gigantes se encuentran en el centro de galaxias masivas. Cuando dos galaxias colisionan, estos agujeros negros acaban por confluir, expulsando grandes cantidades de energía en forma de ondas gravitatorias a lo largo del proceso, alcanzando máximos en los últimos minutos.
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Para detectar estos eventos y poder explorar plenamente este nuevo campo de la astronomía gravitatoria, es fundamental acceder a ondas con bajas frecuencias, de entre 0,1 mHz y 1 Hz. Para ello es necesario medir las minúsculas fluctuaciones en la distancia entre objetos separados por millones de kilómetros, algo que solo puede lograrse en el espacio. Además, un observatorio espacial también estaría libre de los ruidos sísmicos, térmicos o gravitacionales que limitan el rendimiento de los detectores terrestres.
LISA Pathfinder fue diseñada para probar las tecnologías clave necesarias para construir un observatorio de estas características.
Un aspecto crucial era colocar dos masas de prueba en caída libre, supervisando sus posiciones relativas mientras se mueven bajo el efecto de la gravedad únicamente. Esto resulta muy difícil incluso en el espacio, ya que distintas fuerzas, incluyendo el viento solar y la presión de la luz del Sol, perturban continuamente tanto los cubos como la propia nave.
Así, a bordo de LISA Pathfinder se encuentra un par de cubos de oro y platino idénticos, de 2 kg de masa y 46 mm de longitud, situados a 38 cm de distancia entre sí y rodeados, pero sin contacto alguno, por una nave cuyo objetivo es protegerlos de las influencias externas, ajustando su posición continuamente para evitar que sufran impactos.
“Las masas de prueba de LISA Pathfinder ahora están excepcionalmente inmóviles entre sí —explica Álvaro Giménez, director de ciencia de la ESA—. Este es el nivel de control necesario para poder observar ondas gravitatorias de baja frecuencia con un futuro observatorio espacial”.
El satélite LISA Pathfinder fue lanzado el 3 de diciembre de 2015, alcanzando su órbita operativa a aproximadamente 1,5 millones de kilómetros de la Tierra en dirección al Sol a finales de enero de 2016.
La misión comenzó sus operaciones el 1 de marzo, cuando los científicos iniciaron una serie de experimentos en las masas de prueba para medir y controlar todos los posibles aspectos en juego, y determinar hasta qué punto las masas permanecen inmóviles.
Paul MacNamara, científico del proyecto LISA Pathfinder, admite que “las mediciones han superado hasta las expectativas más optimistas.
El nivel de precisión inicialmente exigido para LISA Pathfinder se alcanzó el primer día, así que pasamos las siguientes semanas mejorando los resultados en un factor de cinco”.
Estos extraordinarios resultados muestran que, en general, el control sobre las masas de prueba ha alcanzado el nivel necesario para implementar un observatorio de ondas gravitatorias en el espacio.
“No solo vemos que las masas de prueba están prácticamente inmóviles, sino que hemos identificado con una precisión inédita hasta ahora la mayoría de las minúsculas fuerzas restantes que las perturban”, explica Stefano Vitale, de la Universidad de Trento y el INFN (Italia), investigador principal de LISA Technology Package, la carga útil central de la misión.
Los datos de estos dos primeros meses muestran que, en el rango de frecuencia entre 60 mHz y 1 Hz, la precisión de LISA Pathfinder solo se ve limitada por el ruido de detección del propio sistema de medición láser utilizado para vigilar la posición y la orientación de los cubos.
“El rendimiento del instrumento láser ya ha centuplicado con creces el nivel de precisión necesario por un futuro observatorio de ondas gravitatorias”, indica Martin Hewitson, científico sénior de LISA Pathfinder del Instituto Max Planck de Física Gravitacional y la Universidad Leibniz de Hannover (Alemania).
A frecuencias inferiores a 1–60 mHz, el control de los cubos se ve limitado por las moléculas de gas que chocan contra ellos, ya que una cantidad mínima permanece en el vacío. Este efecto fue reduciéndose a medida que las moléculas iban liberándose en el espacio, y se espera que la situación mejore aún más en los próximos meses.
Como explica William Weber, científico sénior de LISA Pathfinder de la Universidad de Trento (Italia): “Desde el inicio de la misión hemos observado un aumento continuo del rendimiento”.
A frecuencias aún menores, inferiores a 1 mHz, los científicos midieron el efecto de una pequeña fuerza centrífuga sobre los cubos, debida a una combinación de la forma de la órbita de LISA Pathfinder y el ruido en la señal de los sensores de estrellas utilizados para su orientación.
Aunque esta fuerza perturba levemente el movimiento de los cubos en LISA Pathfinder, esto no sería un problema para un futuro observatorio espacial, puesto que cada masa de prueba iría a bordo de su propia nave, vinculándose al resto de masas a millones de kilómetros por medio de láseres.
“Con la precisión alcanzada por LISA Pathfinder, un observatorio de ondas gravitatorias en el espacio sería capaz de detectar las fluctuaciones provocadas por la fusión de agujeros negros supermasivos en cualquier galaxia del Universo”, aclara Karsten Danzmann, director del Instituto Max Planck de Física Gravitacional, director del Instituto de Física Gravitacional de la Universidad Leibniz de Hannover (Alemania) e investigador coprincipal de LISA Technology Package.
¿Cuál es el siguiente paso para LISA Pathfinder? Paul McNamara ha explicado que la misión nominal terminará en junio y que, entre julio y octubre, se pondrá en marcha el experimento de la NASA sobre interferencias embarcado en el satélite. Y, después, tendría que llegar el momento en el que se dé luz verde a LISA, la misión cuyo objetivo sí será detectar ondas gravitatorias en el espacio. Sin embargo, aún hay que desarrollar bastantes tecnologías antes de que esa luz verde pueda aprobarse, sobre todo en la emisión del rayo láser del interferómetro, y hasta que no estén listas no se puede estimar la ventana de lanzamiento de ese futuro satélite.
En la presentación en ESAC se apuntó que los resultados de LISA Patfinder han sido tan buenos, que hay cierta presión en la comunidad científica por empezar a desarrollar LISA un poco antes de lo previsto, sobre todo porque esa misión puede arrojar nueva luz a la historia y evolución del Universo a través de la fusión de agujeros negros supermasivos.
Los resultados de hoy confirman que LISA Pathfinder ha demostrado las tecnologías clave, sentando las bases para llevar a cabo un observatorio de ondas gravitatorias en el espacio, la tercera gran misión L3 del programa Cosmic Vision de la ESA.
Nota para los editores
El artículo “Sub-femto-g free-fall for space-borne gravitational wave detectors: LISA Pathfinder results” está publicado en Physical Review Letters.
Los resultados han sido presentados hoy durante una sesión informativa para medios en el Centro Europeo de Astronomía Espacial (ESAC) de Villanueva de la Cañada, Madrid.
El 7 de junio a las 14:00 CEST (12:00 GMT) tendrá lugar una sesión AMA (Ask Me Anything) en Reddit.
LISA Pathfinder es una misión de la ESA que cuenta con importantes contribuciones por parte de los Estados miembros y la NASA.
La carga útil LISA Technology Package ha sido proporcionada por la ESA y distintas agencias de financiación nacionales, en particular: Italia (ASI); Alemania (DLR); Reino Unido (UKSA); Francia (CNES); España (CDTI); Suiza (SSO) y Países Bajos (SRON). LISA Pathfinder también aloja la carga útil Disturbance Reduction System, que ha proporcionado la NASA-JPL.
Las operaciones científicas relacionadas con LISA Technology Package se prolongarán hasta finales de junio, tras lo cual seguirán tres meses de operaciones de la carga útil Disturbance Reduction System.
Para más información:
ESA Media Relations Office
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Email: media@esa.int
