Lisa Pathfinder supera las expectativas

En un artículo publicado en la revista Physical Review Letters, el equipo de LISA Pathfinder demuestra que las masas de prueba están casi inmóviles una respecto de la otra, con una aceleración relativa inferior a una parte de diez millonésimas de una millonésima de la aceleración gravitacional de la Tierra (g).

El investigador principal del grupo de Astronomía gravitacional-LISA del Instituto de Ciencias del Espacio (IEEC-CSIC), Carlos F. Sopuerta, asegura que "con LISA Pathfinder hemos demostrado que tenemos la tecnología para construir un observatorio de ondas gravitacionales en el espacio con capacidad para llevar a cabo un programa científico revolucionario".

Predichas por Albert Einstein hace cien años, las ondas gravitacionales son oscilaciones en el tejido espacio-tiempo, que se mueven a la velocidad de la luz y causadas por la aceleración de objetos masivos.

Primera detección de ondas gravitacionales

Estas ondas pueden ser generadas por fenómenos astronómicos como explosiones de supernovas, estrellas binarias de neutrones girando en espiral una alrededor de la otra, o la fusión de dos agujeros negros. Aunque se formen a partir de estos eventos tan poderosos, las fluctuaciones en el espacio-tiempo que llegan a la Tierra son ínfimas, más pequeñas que una parte en 1020. Se necesita una tecnología altamente sofisticada para registrar estas modificaciones tan minúsculas. Las ondas gravitacionales se detectaron por primera vez en septiembre de 2015 mediante el detector terrestre LIGO.

LIGO detectó la señal característico de dos agujeros negros, cada uno con una masa aproximadamente treinta veces la masa del sol, haciendo un espiral el uno hacia el otro, en los últimos 0,3 segundos antes de que se unieran para formar un único agujero negro, más masivo.

Ondas gravitacionales en el espacio

Las señales detectadas por LIGO tienen una frecuencia de unos 100 Hz, pero las ondas gravitacionales tienen un espectro mucho más amplio. En concreto, las oscilaciones de frecuencias más bajas se producen  por eventos aún más exóticos, como las fusiones de agujeros negros supermasivos.

Con masas de millones a miles de millones de veces mayor que la masa del Sol, estos agujeros negros se sitúan en los centros de las galaxias masivas. Cuando dos galaxias colisionan, los agujeros negros en sus centros se unen finalmente, liberando enormes cantidades de energía en forma de ondas gravitacionales en todo el proceso de fusión, y un pico en los últimos minutos antes de su coalescencia final.

Para detectar estos eventos y explotar al máximo el campo recientemente inaugurado de la astronomía gravitacional, es crucial abrir el acceso a las ondas gravitacionales a bajas frecuencias entre 0,1 mHz y 1 Hz. Esto requiere medir pequeñas fluctuaciones en la distancia entre los objetos colocados a millones de kilómetros de distancia, algo que sólo se puede conseguir en el espacio donde un observatorio también estaría libre de los ruidos sísmicos, térmicos y de gravedad terrestre que limitan los detectores instalados en la Tierra.

La misión LISA Pathfinder

LISA Pathfinder fue diseñada para demostrar las tecnologías clave necesarias para construir un observatorio de ondas gravitacionales en el espacio. Un aspecto crucial es la colocación de dos masas de prueba en caída libre, y el seguimiento de sus posiciones relativas cuando se mueven bajo el único efecto de la gravedad. Incluso en el espacio esto es muy difícil, ya que varias fuerzas (incluyendo el viento solar y la presión de la luz solar) afectan continuamente las masas de prueba y la aeronave.

Así, LISA Pathfinder cuenta con dos cubos de oro y platino idénticos, de 2 kg de peso y 46 mm de lado separados por tan sólo 38 cm, flotando en caída libre dentro de una nave espacial, encargada de proteger los cubos de las influencias externas, ajustando su posición constantemente para evitar golpearlas.

LISA Pathfinder se lanzó al espacio el 3 de diciembre de 2015, alcanzando su órbita operacional aproximadamente 1,5 millones de kilómetros de la Tierra hacia el Sol a finales de enero de 2016. La misión comenzó a operar el 1 de marzo, cuando los científicos empezaron una serie de experimentos sobre las masas de prueba para medir y controlar los diferentes aspectos en juego, y determinar la quietud de la caída libre de las masas.

El grupo de Astronomía Gravitacional-LISA del Instituto de Ciencias del Espacio (IECC-CISC) ha jugado un papel clave en la misión LISA Pathfinder. En colaboración con la industria local, el grupo ha diseñado y construido la Unidad de Gestión de Datos (DMU), el equipo que controla los experimentos de la misión. El grupo también ha contribuido con el subsistema de diagnóstico, un conjunto de sensores de alta sensibilidad para el control térmico y magnético y un monitor de radiación de partículas cósmicas ionizadas.

Primeros resultados de LISA Pathfinder

"Las medidas han superado nuestras expectativas más optimistas", dice Paul McNamara, project scientist de LISA Pathfinder de la Agencia Espacial Europea. "Llegamos al nivel de precisión requerido originalmente para LISA Pathfinder el primer día, así que pasamos las siguientes semanas multiplicando la mejora de los resultados por cinco".

"No sólo vemos las masas de prueba casi inmóviles, también hemos identificado, con una precisión sin precedentes, la mayor parte de las otras fuerzas diminutas restantes", explica Stefano Vitale, de la Universidad de Trento y INFN, Italia, investigador principal del LISA Technology Package (LTP), el instrumento principal del satélite.

Los dos primeros meses de datos muestran que, en la gama de frecuencias entre 60 mHz y 1 Hz, la precisión de LISA Pathfinder está limitado sólo por el ruido de detección del sistema de metrología óptica utilizada para controlar la posición y la orientación de las masas de prueba.

"El rendimiento del interferómetro láser ya ha superado el nivel de precisión requerido para un futuro observatorio de ondas gravitacionales en un factor de más de cien", dice Martin Hewitson, científico senior de LISA Pathfinder del Instituto Max Planck de Física gravitacional y Leibniz Universidad Hannover, Alemania.

A frecuencias más bajas entre 1-60 mHz, el control sobre las masas de prueba está limitada por las moléculas de gas que rebotan en los cubos: un pequeño número de ellos permanecen en el vacío que les rodea. Este efecto se observó cada vez más pequeño a medida que más moléculas fueron aireadas en el espacio, y se espera que mejore en los siguientes meses.

"Hemos observado mejoras constantes día a día, desde el inicio de la misión", dice William Weber, científico de LISA Pathfinder de la Universidad de Trento, Italia.

A frecuencias aún más bajas por debajo de 1 mHz, los científicos midieron una pequeña fuerza centrífuga que actúa sobre los cubos, debido a una combinación de la forma de la órbita de LISA Pathfinder y el efecto del ruido en la señal de los rastreadores de estrellas que se utilizan para orientarla.

Mientras que esta fuerza centrífuga perturba ligeramente el movimiento de las masas de prueba en LISA Pathfinder, no sería un problema para un futuro observatorio espacial, en el que cada masa de prueba se encontraría en su propia nave espacial, y vinculada a otras situadas a millones de kilómetros a través de rayos láser.

"Con la precisión alcanzada por LISA Pathfinder, un observatorio espacial de ondas gravitatorias a gran escala sería capaz de detectar las oscilaciones causadas por las fusiones de agujeros negros supermasivo en galaxias de cualquier lugar del Universo", dice Karsten Danzmann, director Instituto Max Planck de Física gravitacional, director del Instituto de Física gravitacional de Leibniz Universität Hannover, Alemania, y Co-Investigador Principal del LISA Technology Package (LTP).

Los investigadores del grupo de astronomía gravitacionales-LISA del Instituto de Ciencias del Espacio (IEEC-CSIC) han sido "intensamente involucrados en la fase de operaciones científicas" explica el investigador Miquel Nofrarias. "Hemos definido los experimentos para caracterizar el ruido térmico y magnético que afecta a la caída libre de las masas". Los miembros del grupo liderado por Carlos F. Sopuerta han viajado constantemente al centro de control de la ESA en Darmstadt, desde donde han liderado el análisis de estos experimentos y han participado en el análisis conjunto de los datos de la misión.

Los resultados confirman que LISA Pathfinder ha demostrado las tecnologías clave y ha allanado el camino para un observatorio espacial, para ser implementado como la tercera misión "de clase grande" (L3) del programa Visión Cósmica de la ESA.