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LISA: midiendo las ondas gravitacionales

LISA. Proyecto conjunto de la ESA y NASA para escuchar las ondas gravitacionales, se prepara para el año 2020.

La gravedad habla. Lisa va a escuchar.


El cosmos canta con muchas y fuertes voces gravitacionales, causando ondulaciones en el tejido del espacio-tiempo que llevan el mensaje de tremendos eventos astronómicos: los rápidos bailes cercanos a las órbitas de restos de estrellas, las uniones de agujeros negros supermasivos millones de veces más pesados que el Sol, después del Big Bang. Estas ondas son las ondas gravitacionales predichas en 1915 por la relatividad general de Albert Einstein, casi un siglo más tarde, ahora es posible detectarlas. Las ondas gravitatorias nos darán una nueva forma de observar y entender el Universo, mejorar y complementar los conocimientos de la astronomía convencional.


LISA, la Antena Espacial de Interferómetro Láser (Laser Interferometer Spacial Antenna), es una misión conjunta de la NASA y la ESA para observar fuentes astrofísicas y cosmológicas de ondas gravitatorias de baja frecuencia (0,03 MHz a 0,1Hz, correspondientes a los períodos de oscilación de cerca de 10 horas a 10 segundos). Esta banda de frecuencia contiene la emisión de los  grandes agujeros negros binarios que se forman después de las fusiones galácticas, el canto de compactos restos estelares, y su lenta espiral hacia su destino final en el agujero negro en el centro de las galaxias, el coro de millones de compactas binarias de nuestra propia galaxia, y posiblemente el débil susurro de las ondas generadas poco después del Big Bang.


Las tres naves del proyecto LISA. Créditos NASA. LISA consta de tres naves espaciales idénticas volando en una constelación triangular, con brazos iguales de 5 millones de kilómetros cada uno (si, si...no ha leido mal). Como las ondas gravitatorias procedentes de fuentes alejadas llegarán a LISA, provocarán la deformación del espacio-tiempo y el estiramiento y la compresión del triángulo. Por lo tanto, precisamente por el control de la separación entre las naves espaciales, podremos medir las ondas, y mediante el estudio de la forma y las fechas de las ondas podremos aprender acerca de la naturaleza y la evolución de los sistemas que los emiten.


Afinando el 'oído' a la música de las ondas gravitacionales


Un equipo de científicos e ingenieros del Jet Propulsion Laboratory de la NASA ha llevado al mundo a un paso de "escuchar" las ondas gravitatorias -ondulaciones en el espacio y el tiempo predichas por Albert Einstein en el siglo 20.

La investigación, realizada en un laboratorio del JPL en Pasadena, California, puso a prueba un sistema de láser que volará a bordo de la misión espacial propuesta denominada Antena Espacial de Interferómetro Láser, o LISA. El objetivo de la misión es detectar las señales sutiles, como el susurro de las ondas gravitacionales, que aún no se han observado directamente. Esta no es una tarea fácil, y aún quedan muchos desafíos por delante.


Las nuevas pruebas de JPL consiguieron un hito importante, al demostrar por primera vez que el ruido, o fluctuaciones aleatorias, en las vigas del láser LISA se pueden minimizar lo suficiente como para escuchar el dulce sonido de las ondas, tan difícil de alcanzar.


"Con el fin de detectar las ondas gravitacionales, tenemos que hacer mediciones muy precisas", dijo Bill Klipstein, físico en el JPL. "Nuestros láseres son mucho más ruidosos que lo que queremos medir, así que tenemos que eliminar ese ruido con cuidado para obtener una señal clara; es un poco como escuchar una pluma caer en medio de una fuerte tormenta." Klipstein es co-autor de un artículo sobre las pruebas de laboratorio que apareció en una edición reciente de Physical Review Letters.


El equipo del JPL es uno de los muchos grupos de trabajo sobre LISA, un proyecto conjunto de la Agencia Espacial Europea y la NASA, que, si se selecciona, se lanzará a partir del año 2020. En agosto de 2010, Lisa obtuvo una recomendación de "alta" en el informe de 2010 del Consejo Nacional de Investigaciones decenales sobre astronomía y astrofísica de EE.UU.


Uno de los objetivos primarios de LISA es detectar directamente las ondas gravitacionales. Los estudios de estas ondas cósmicas comenzaron en serio hace décadas cuando, en 1974, los investigadores descubrieron un par de estrellas muertas en órbita (púlsares) que realizan una espiral cada vez más próxima debido a una pérdida inexplicable de energía. Esa energía se demostró más tarde que se perdía en forma de ondas gravitacionales. Esta fue la primera prueba indirecta de las ondas, y, finalmente, ganó en 1993 el Premio Nobel de Física.


LISA espera no sólo "escuchar" las ondas, sino también aprender más acerca de sus fuentes - objetos masivos, tales como los agujeros negro y estrellas muertas, que emiten ondas como melodías hacia el universo emitidos como objetos acelerados a través del espacio-tiempo. La misión sería capaz de detectar las ondas gravitacionales de objetos de gran masa en nuestra galaxia, la Vía Láctea y galaxias distantes, lo que permitirá a los científicos sintonizar con un lenguaje completamente nuevo en nuestro universo.


Las tres naves idénticas girarán libremente en el espacio a lado de la Tierra durante 10 años.  La misión propuesta equivaldría a un triángulo gigante de tres naves espaciales distintas, conectadas entre sí por rayos láser. Estas naves espaciales volarán en formación alrededor del Sol, a unos 20 grados detrás de la Tierra, situadas en uno de los puntos de Lagrange de nuestro planeta. Cada una de ellas es un cubo de platino y oro que flota libremente en el espacio. Como las ondas gravitacionales afectarán a las naves espaciales, harán que la distancia entre los cubos, o masas de prueba, cambien en cantidades casi imperceptibles pero suficientes para que los instrumentos extremadamente sensibles de LISA sean capaces de detectar los cambios correspondientes en las barras de conexión del laser.


"Un amigo mío dijo una vez que serán una especie de patitos de goma, rebotando en el agua de una bañera" dijo Glenn de la Viña, un científico investigador y co-autor del reciente estudio en el JPL.


El equipo del JPL ha pasado los últimos seis años trabajando en los aspectos de esta tecnología del proyecto LISA, incluyendo instrumentos llamados medidores de fase, que son sofisticados detectores de rayo láser. Las últimas investigaciones han sido llevadas a cabo sobre uno de sus principales objetivos: reducir el ruido detectado por el medidor de fase láser en mil millones de veces, o sea, lo suficiente como para detectar la señal de las ondas gravitatorias.


El trabajo es como tratar de encontrar un protón en un pajar. Las ondas gravitatorias cambiarán la distancia entre dos naves espaciales - que están volando a 5 millones de kilómetros de distancia - aproximadamente un picometro, que es unas 100 millones de veces más pequeño que el ancho de un cabello humano. En otras palabras, las naves están a 5000 millones de metros de distancia, y ¡¡¡Lisa podría detectar los cambios en esa distancia en el orden de 0.000000000005 metros!!!


El corazón de la tecnología láser LISA está un aparato conocido como interferómetro, que en última instancia revela si las distancias recorridas por los rayos láser de luz, y por lo tanto la distancia entre las tres naves, ha cambiado debido a las ondas gravitacionales. El proceso es como la combinación de las olas del mar - a veces se acumulan y crecen más grandes, ya veces se cancelan el uno al otro o disminuir de tamaño.


"No podemos usar una cinta métrica para obtener las distancias entre estas naves espaciales", dijo De la Viña, "Así que utilizamos el láser. Las longitudes de onda de los láseres son como nuestras marcas de graduación en una cinta de medir."


CAD del módulo LISA. Créditos ESA   La luz del láser de LISA es detectada por los medidores de fase y luego enviada a la tierra, donde es "interferido" a través del proceso de datos (el proceso se llama interferometría de retraso de tiempo por esta razón - hay un retraso antes de que la técnica de la interferometría sea aplicada). Si el patrón de interferencia entre los rayos láser es el mismo, entonces eso significa que la nave no se han movido en relación con las demás. Si hay cambios en el patrón de interferencia, es que se han movido. Si todos los motivos para el movimiento de naves espaciales han sido eliminados, el resultado es que las ondas gravitacionales son las culpables.


Esa es la idea básica. En realidad, hay una serie de factores que hacen de este proceso más complejo. Por un lado, la nave espacial no puede estar quieta. Ellas,  naturalmente, se mueven por razones que nada tienen que ver con las ondas gravitacionales. Otro problema es el ruido de rayo láser. ¿Cómo saber si la nave se trasladó a causa de las ondas gravitacionales, o si el ruido en el láser acaba de hacer parecer que la nave se movió?


Esta es la pregunta que el equipo del JPL recientemente llevó a su laboratorio, que imita el sistema de LISA. Se introduce ruido aleatorio, artificial, en sus lasers y luego, a través de un complicado conjunto de acciones de procesamiento de datos, resta la mayor parte del ruido y devuelve el resultado. Su reciente éxito demostró que podía ver los cambios en las distancias entre las naves espaciales incluso si eran del orden de un picometro.


En esencia, ha sido silenciado el estruendo de los rayos láser, por lo que Lisa, si es seleccionado para la construcción, será capaz de oír el universo en voz baja tararear una melodía de las ondas gravitacionales.



LA MISIÓN

Lisa Pathfinder

LISA consta de tres naves espaciales idénticas que serán las posiciones de los vértices de un triángulo equilátero de cinco millones kilometros de lado, en órbita alrededor del sol. LISA se puede considerar como un gigantesco interferómetro Michelson en el espacio. La separación espacial establece el rango de frecuencias que LISA puede observar (de 0,03 a Milihertz superiores a 0,1 Hz).


El centro del triángulo LISA traza una órbita similar a la Tierra en el plano de la eclíptica, a una unidad astronómica de distancia del Sol, pero 20 grados por detrás de la Tierra. El plano del triángulo tiene una inclinación de 60 grados con respecto a la eclíptica. Las órbitas naturales libres de las tres nave alrededor del Sol mantienen esta formación triangular, con lo que el triángulo parece girar alrededor de su centro una vez al año.


La nave espacial LISA será lanzada mediante un cohete y se inyectará en una trayectoria de escape de la Tierra. Las tres naves saldrán a continuación del cohete, y cada una será guiada por un módulo de propulsión individual a su propia órbita independiente alrededor de nuestro sol. Después de alcanzar la órbita final, alrededor de 13 meses después del lanzamiento, los módulos de propulsión se separarán de las naves. A continuación, la órbita de cada nave se desarrollará unicamente bajo las fuerzas gravitacionales, y se mantendrán estables para cumplir el objetivo de la misión con una duración de diez años.

Video del Instituto Max Planck sobre la misión LISA:

Nave espacial

Una de las naves espaciales del proyecto LISA emitiendo los Laser. Créditos NASA.  Cada una de las tres Antenas Espaciales de Interferómetro Láser (LISA) de la NASA ha sido diseñada como un pequeño cilindro de 2,8 x 0,76 metros. Los paneles solares, montados en un protector solar, aportarán la energía a las naves. Las antenas de radio LISA y los propulsores micronewton, se montarán en la pared exterior del cilindro. Las dos antenas en cada nave tiene un diámetro de 30 centímetros, y están presentes en la banda X y la banda Ka, se comunicarán con la Red Espacial Deep de la NASA.


Los propulsores micronewton LISA ofrecen ráfagas muy pequeña de empuje con muy poco ruido. En la actualidad tres tecnologías diferentes son capaces de alcanzar los requisitos de LISA, mediante la aceleración de la carga electrostática mediante gotas de líquido (coloides), o con iones de cesio e indio.  Los instrumentos científicos de LISA (idénticos en cada nave) se alojan en dos escudos térmicos cilíndricos. Los instrumentos consisten en dos grupos ópticos y de láser, montados sobre un radiador en forma de disco, y protegidos por el escudo térmico. Cada conjunto óptico contiene un telescopio de 40 cm, utilizado para la transmisión y recepción de señales de láser a las otras naves espaciales, un banco óptico que soporta la óptica principal (para la inyección de láser, detección y conformación del haz), y el habitáculo de las masas de prueba.


Sensibilidad de LISA


La sensibilidad de LISA (la fuerza de las señales de ondas gravitacionales a las que Lisa es sensible, en función de la frecuencia) se limita a bajas frecuencias por el ruido de aceleración de masa, en las frecuencias medias por el ruido de disparos láser y los errores de medición óptica de la ruta; y en las frecuencias altas por el hecho de que la longitud de onda gravitacional se vuelve más corta que el largo brazo de LISA, reduciendo la eficiencia de la medición interferométrica.


LISA puede determinar la posición de una fuente en el cielo con modulación AM y FM (muy similar a las transmisiones de radio). Para las fuentes por encima de 1 Milihertz, LISA observará el efecto Doppler de las frecuencias de ondas gravitacionales como LISA órbita alrededor del Sol (que cambia la velocidad relativa entre LISA y la fuente). A frecuencias más bajas, LISA medirá las modulaciones de amplitud de las señales inducidas por la rotación anual del triángulo LISA (ya que cambia el ángulo entre los sensibles brazos de LISA y las ondas detectadas).

Madrid, 15 de Mayo de 2011

Créditos JPL, con Brent Ware, Kirk McKenzie, Robert E. Spero y Daniel A. Shaddock y la Universidad Nacional Australiana en Canberra.

LISA es un proyecto de la NASA y la misión europea conjunta de la Agencia Espacial. La porción de la NASA de la misión está dirigida por la NASA Goddard Space Flight Center, Greenbelt, Maryland. Algunos de los estudios clave para la instrumentación de la misión se están realizando en el JPL. El científico de la misión EE.UU. es Tom Prince en el Instituto de Tecnología de California en Pasadena. JPL es administrado por Caltech para la NASA.

Traducción y adaptación del texto: MARDUK Astronomía.

 

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