Ondas gravitacionales: el éxito de LISA Pathfinder abre el camino a un observatorio espacial

El ambiente más tranquilo jamás desarrollado por los humanos está a unos 1,5 millones de kilómetros de la Tierra. Por ahí, alojado dentro del satélite LISA Pathfinder de la Agencia Espacial Europea (ESA) dos cubos de oro y aleación de platino de 2 kilogramos y un lado de 4,6 centímetros alcanzaron un estado de inmovilidad casi perfecto, sujeto a casi nada más que la única fuerza de gravedad ejercida por el Sol y otros cuerpos celestes. Todas las demás influencias que podrían mover los cubos (la agitación de las moléculas, el impacto de los rayos cósmicos y el campo electromagnético) ejercen solo una fuerza total apenas equivalente al peso de un solo virus. La hazaña tecnológica, anunciada el martes 7 de junio de 2016 por el equipo de la misión LISA Pathfinder y detallada en la revisión Physical Review Letters , es un paso importante en el estudio de las ondas gravitacionales. Si bien las primeras señales acaban de ser recibidas por el detector de tierra Advanced LIGO, este dispositivo abre el camino para la observación de ondas gravitacionales desde el espacio.

Primero predicho por Einstein hace más de un siglo como consecuencia de su teoría de la relatividad general, las ondas gravitacionales son producidas por los eventos más enérgicos del Universo: explosión estelar, rotación rápida de estrellas de neutrones o colisión de agujeros negros. Sin embargo, estas ondas son muy difíciles de observar porque estas oscilaciones del espacio-tiempo en sí mismas tienen una amplitud menor que la escala atómica. Para observarlos, los investigadores miden con precisión, utilizando láseres, la distancia entre dos «pruebas de masa», que alarga y encoge imperceptiblemente al pasar ondas gravitacionales. En septiembre de 2015, Los investigadores detectaron ondas gravitacionales por primera vez, causado por la fusión de dos agujeros negros de tamaño mediano a más de 1.400 millones de años luz de distancia, cuando pasaron por el detector terrestre doble del observatorio de ondas gravitacionales por interferometría láser ( Avanzado L. Cada ola del cataclismo creó un pequeño desplazamiento, menos que el radio de un protón, dentro de los detectores de tamaño de kilómetro. Detección equivalente a medir la distancia al sistema estelar Alpha Centauri, es decir, 4,5 años luz, al ancho de un cabello…

Lanzado en diciembre de 2015, el mismo mes de la detección de una segunda señal de onda gravitacional por Avanzado LIGO, LISA Pathfinder es una «prueba de concepto» para medidas aún más ambiciosas. La Agencia Espacial Europea espera desarrollar una antena espacial con interferometría láser – eLISA para la década de 2030. Este satélite detectaría ondas gravitacionales de la coalescencia de agujeros negros supermasivos y, por lo tanto, permitiría probar la relatividad general con un grado de precisión sin precedentes y profundizar nuestra comprensión de la evolución de las galaxias. Generado por objetos mucho más masivos y enérgicos, tales ondas tienen una longitud de onda mucho más larga que las que se pueden detectar Avanzado LIGO Causan desplazamientos de tamaño subatómico que ocurren durante varias horas, en lugar de unos pocos milisegundos, imposible de medir en el ruido de fondo que reina en la superficie de la Tierra. Para alcanzar la escala de tiempo y la estabilidad extrema necesaria para medir estas ondas, eLISA utilizaría una constelación de satélites, que contenían masas de prueba, espaciadas a millones de kilómetros de distancia y conectadas por láseres. En preparación para este esfuerzo a gran escala, el objetivo de la misión Pathfinder es demostrar que es posible estabilizar y medir la distancia entre las masas de prueba, los cubos en aleación de platino, separados por solo 38 centímetros.

“Hemos reducido las distancias de varios millones de kilómetros propuestos para futuros detectores a menos de 40 centímetros, para poder probar y comprender todos los efectos que podrían perturbar las masas de prueba y enmascarar la señal de las ondas gravitacionales ”, explica Paul McNamara, uno de los investigadores del proyecto LISA Pathfinder. «Ahora hemos allanado el camino para la misión eLISA. La tecnología requerida ya no es ciencia ficción sino una realidad. «. La estabilidad de los cubos medidos es más de 5 veces mayor que las estimaciones conservadoras para la misión LISA Pathfinder y apenas un 25% por debajo del umbral de estabilidad más riguroso posible para la misión eLISA a gran escala.

David Reitz, director ejecutivo del proyecto Advanced LIGO, definió el éxito de LISA Pathfinder como «un giro de fuerza en la medición de precisión» que podría dar una nueva escala a las ondas gravitacionales del estudio. «Estos resultados son un buen augurio para la futura misión eLISA», dijo. La experiencia muestra que «se controla la precisión requerida por eLISA para medir los movimientos de las pruebas de masa, lo que sienta las bases para la próxima generación de detectores de ondas gravitacionales». «

Según Stefano Vitale, profesor de física a cargo de la tecnología en LISA Pathfinder, el secreto de la extrema estabilidad de la experiencia radica en la ausencia de intervención manual. Los cubos de aleación dorada y platino «no tienen contacto mecánico con nada; están rodeados de vacío», dice Stefano Vitale. «El truco básico es que estamos presionando al satélite para que siga las masas de prueba, en lugar de presionar a las masas de prueba para que sigan los movimientos del satélite». Los electrodos dispuestos en la cámara interna del satélite detectan la posición de los cubos flotantes libres y desencadenan, de vez en cuando, un pequeño empuje de los micropulsores del satélite para mantener los cubos alejados de las paredes. Estas maniobras son extremadamente delicadas. Mil de estos micropropulsores apenas podían mover una hoja de papel a la Tierra, pero el satélite de media tonelada tiene solo seis. Los cubos también se estabilizan mediante pulsos periódicos de luz ultravioleta, que neutralizan las pequeñas cargas eléctricas generadas por el impacto de los rayos cósmicos.

La mayor perturbación en el movimiento de cubos, según Paul McNamara, es el residuo de atmósfera enrarecida todavía presente en la cámara interna del satélite, cuya presión asciende a apenas una décima de billonésima parte de la atmósfera en la superficie de la Tierra. El equipo de LISA Pathfinder está bombeando tantas moléculas residuales como sea posible fuera de la sala para mejorar la estabilidad del experimento. «Ahora estamos limitados por el ruido de fondo del movimiento aleatorio de moléculas de gas que golpean la superficie de los cubos», dice Paul McNamara. Un fenómeno llamado movimiento browniano que Einstein utilizó en 1905 para demostrar que la materia ordinaria está compuesta de átomos. «En otras palabras, mientras tratamos de demostrar que Einstein tenía razón sobre la relatividad general, otra de sus predicciones, el ruido browniano, se ha convertido en uno de nuestros obstáculos» ! «

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