Luz verde para LISA: detectando ondas gravitacionales desde el espacio

La agencia espacial europea (ESA) ha confirmado que el detector de ondas gravitacionales LISA será la próxima misión de gran presupuesto. LISA (Laser Interferometer Space Antenna) se convertirá así en la misión L3, o sea, la tercera misión de tipo L (‘large‘) de la agencia (un tipo equivalente a la clase flagship de la NASA). Desde 2013 la ESA había identificado a LISA como candidata favorita a misión L3, pero ahora ha sido formalmente aprobada. La detección directa de ondas gravitacionales por LIGO en 2015 y el éxito apabullante del demostrador tecnológico LISA Pathfinder han sido sin duda dos hitos fundamentales que han condicionado la decisión de la ESA.

Nave principal de LISA (ESA/AEI/Milde Marketing/Exozet).
Nave principal de LISA (ESA/AEI/Milde Marketing/Exozet).

Precisamente, muchos pueden preguntarse por qué es necesario un observatorio espacial como LISA —todavía más caro y complejo– si ya tenemos varios detectores como LIGO o Virgo que son capaces de estudiar las ondas gravitacionales desde la superficie de la Tierra. La respuesta es que debemos imaginar estas ondas como un nuevo tipo de ventana al Universo. Como toda onda, estas perturbaciones del espacio tiempo vienen en distintas frecuencias —o longitudes de onda—. Los observatorios terrestres solo pueden detectar longitudes de onda relativamente pequeñas, así que si queremos ‘escuchar’ las ondas de mayor longitud de onda —o menor frecuencia— tenemos que usar otros métodos, como es el cronometraje de púlsares o los interferómetros láser espaciales.

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Sensibilidad de LISA comparado con LIGO (ESA).

Dicho de otra forma, los fenómenos que podemos estudiar con los interferómetros espaciales son distintos —ni mejores ni peores— que los que podemos observar con los inteferómetros terrestres. Es el equivalente a comparar telescopios ópticos —que operan en el visible— con telescopios de rayos X. LISA se centrará en las ondas gravitacionales emitidas principalmente por sistemas binarios de agujeros negros masivos, de hasta diez millones de masas solares, así como sistemas formados por un agujero negro y una estrella de neutrones o una enana blanca. Como comparación, los interferómetros terrestres se centran en sistemas binarios de estrellas de neutrones o agujeros negros de baja masa (curiosamente por el momento las estrellas de neutrones guardan silencio y solo se han detectado ondas provenientes de agujeros negros binarios de pequeño tamaño).

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Espectro de frecuencias de ondas gravitacionales y métodos de detección (ESA).

El concepto de situar en el espacio un interferómetro láser para detectar ondas gravitacionales tiene varias décadas a sus espaldas. La idea es similar a los interferómetros terrestres, pero usando una separación mucho mayor para poder detectar ondas con una longitud de onda muy larga. El primer concepto serio fue GWI (Gravity Wave Interferometer), un interferómetro estadounidense propuesto en 1974 para ser lanzado mediante el transbordador espacial. Con una masa de 16,4 toneladas, el inteferómetro desplegaría en órbita dos brazos con una longitud de un kilómetro cada uno. El diseño de GWI permitía detectar ondas gravitacionales con una longitud de onda mayor que los intrumentos terrestres, pero no aprovechaba las ventajas de situar un instrumento de este tipo en el espacio. ¿Por qué usar brazos rígidos al igual que un interferómetro terrestre si un rayo láser puede viajar por el vacío del espacio sin problemas?

Proyecto GWI (Gravity Wave Interferometer) de los años 70 para situar un interferómetro en órbita terrestre con el transbordador (NASA).
Proyecto GWI (Gravity Wave Interferometer) de los años 70 para situar un interferómetro en órbita terrestre con el transbordador (NASA).

Así, usando un mínimo de tres naves volando en formación podemos tener un interferómetro de dos brazos sin necesidad de emplear grandes infraestructuras. Ahora bien, también podemos recurrir a tres naves idénticas que formen un interferómetro con tres brazos láser. Esta disposición es más sensible y, sobre todo, permite aumentar la resolución espacial (o sea, es más fácil localizar la fuente), pero también más cara. La mayoría de propuestas de interferómetros espaciales han oscilado entre estos dos tipos de diseños, es decir, de dos o tres brazos. La teoría es sencilla, pero ponerla en práctica es todo un desafío tecnológico. La separación entre las naves debe permanecer invariable durante largos periodos de tiempo para permitir la detección de ondas gravitacionales, una auténtica odisea al tratarse de separaciones del orden de millones de kilómetros. Y es que hablamos de medir cambios de una billonésima de milímetro en la posición de dos pequeñas masas de referencia separadas por varios millones de kilómetros. Si esto no es una hazaña tecnológica, no sé qué puede serlo.

Órbita de LISA (ESA).
Órbita de LISA (ESA).

El primer estudio de interferómetro espacial que usaba naves en formación apareció en 1985 y se denominaba LAGOS (Laser Antenna for Gravitational-radiation Observation in Space). Consistía en tres naves y dos brazos situadas en una órbita alrededor del Sol unos 30º por detrás de la Tierra que debían estar separadas entre sí un millón de kilómetros. El proyecto era demasiado complejp para la época, pero en mayo de 1993 nació LISA como una propuesta para la tercera misión de tamaño medio (M3) de la ESA. La propuesta LISA original era ambiciosa: seis naves volando en formación para crear un triángulo equilátero en el espacio. En cada vértice del triángulo tendríamos dos naves separadas a poca distancia —200 kilómetros—, mientras que los brazos del interferómetro tendrían cinco millones de kilómetros. Las naves usarían telescopios de 30 centímetros para enfocar los láseres.

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Concepto de interferómetro láser espacial de dos brazos LAGOS (ESA).
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Órbita de LAGOS (ESA).

Una propuesta similar coordinada por el JPL de la NASA, denominada SAGITTARIUS, apareció al mismo tiempo, aunque preveía situar las seis naves en órbita alrededor de la Tierra y no del Sol. La separación de las naves en esta propuesta sería de un millón de kilómetros y cada una emplearía un telescopio de 15 centímetros. Lanzar las naves en una órbita terrestre es más barato y facilita las comunicaciones, pero las perturbaciones de la órbita son mayores, lo que se traduce en un aumento de las necesidades de control de los vehículos. Además, la luz del Sol interferiría en los interferómetros, valga la redundancia, y sería necesario añadir filtros complejos a los telescopios de las naves. Curiosamente, por entonces el objetivo era lanzar la misión en 2017.

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Proyecto LISA de los años 90 con cuatro naves y un interferómetro de dos brazos (ESA).

La ESA fusionó brevemente las propuestas LISA y SAGITTARIUS en otra propuesta denominada LISAG. Este proyecto era demasiado complejo e inmediatamente se sugirió una versión más sencilla con cuatro naves y solo dos brazos. La idea de usar dos naves en los vértices del triángulo en vez de una se introdujo para reducir la complejidad y el coste del sistema óptico y de control de posición. No obstante, la sensibilidad de dos brazos era inferior a la de tres, así que en diciembre de 1993 se resucitó la propuesta LISA/SAGITTARIUS original con seis vehículos localizados alrededor del Sol. La complejidad del proyecto fue aumentando y en 1997 comenzaron los contactos con NASA para llevar a cabo una misión conjunta ante la imposibilidad de la ESA de realizar el proyecto en solitario por culpa de los costes excesivos.

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Masa de referencia y sistema láser de LISA a finales de los 90 (NASA/ESA).

El nuevo proyecto conjunto consistía en tres naves con una masa total de 1,4 toneladas que formarían un interferómetro de tres brazos y que serían lanzadas mediante un cohete Delta II. Las naves tendrían unas dimensiones de 1,8 x 0,48 metros y usarían un láser de 150 vatios. Los problemas asociados con este proyecto seguían siendo numerosos y por eso se decidió lanzar antes el demostrador europeo ELITE (European LISA Technology Experiment) con el fin de comprobar hasta que punto se podían mantener dos masas de referencia estables entre sí y aisladas de todo tipo de perturbaciones externas (gravitatorias, lumínicas, térmicas, etc.).

LISA Pathfinder (ESA).
LISA Pathfinder (ESA).

A principios de siglo esta misión experimental pasaría a ser conocida como LISA Pathfinder. Esta nave despegó finalmente en 2015 y demostró que es posible mantener dos masas de referencia de oro platino de 1,96 kg cada una aisladas de las influencias gravitatorias, la presión de radiación de la luz del Sol, los micrometeoritos y el viento solar. Evidentemente, las dos masas estaban situadas en el mismo vehículo a una distancia de pocos centímetros y no en naves diferentes a millones de kilómetros, como será el caso de un inteferómetro espacial operativo, pero se demostró que el sistema propulsores a base de nitrógeno con un empuje del orden de micronewtons era capaz de estabilizar el inteferómetro de cara a la detección de ondas gravitacionales.

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Configuración de lanzamiento de la misión LISA conjunta entre la NASA y la ESA en un Delta II (NASA).

En 2005 se concretó el diseño de la misión LISA de la NASA y la ESA, formada por tres naves separadas cinco millones de kilómetros, cada una en una órbita heliocéntrica 20º por detrás de la Tierra. La distancia de compromiso de cinco millones de kilómetros fue elegida para garantizar la detección de agujeros negros masivos y al mismo tiempo mantener la sensibilidad a las fuentes de menor longitud de onda. Las naves usarían dos láseres de 1 vatio cada una con telescopios de 30 centímetros y las masas de referencia serían cubos de oro y platino de 40 milímetros de arista. El proyecto fue madurando hasta 2011, cuando se concretó el diseño final. Pero en ese momento la NASA decidió retirarse unilateralmente de la misión por su excesivo coste (y, de forma no oficial, también por el excesivo protagonismo de la parte europea).

La ESA decidió seguir adelante con el proyecto en solitario, aunque simplificándolo para adaptarlo a la nueva situación. El nuevo proyecto pasó a ser conocido durante una breve temporada como NGO (New Gravitational wave Observatory) y en 2012 pasó a ser candidato a la misión L1 de la ESA, una convocatoria que ganó la sonda JUICE para el estudio de Júpiter y sus lunas. El nuevo proyecto totalmente europeo continuó su camino, pero con el nombre eLISA (Evolved Laser Interferometer Space Antenna). La ‘e’ era oficialmente de ‘evolucionado’, pero a nadie se le escapaba que también podía ser interpretada como ‘europeo’. Fiel a su papel de proyecto simplificado eLISA contaba con dos brazos en vez de tres. Sin embargo el telescopio de rayos X Athena fue seleccionado para la misión L2, así que LISA/eLISA tuvo que esperar hasta otra ocasión.

Observatorio de ondas gravitatorias eLISA (ESA).
Observatorio de ondas gravitatorias eLISA (ESA).

O, mejor dicho, hasta ahora, que ha sido aprobada como la misión L3 de la ESA. Esto significa que LISA (ya no se llama eLISA) será lanzada en 2034 como muy pronto. Su coste —o en su defecto la parte de la contribución europea— no debe superar los mil millones de euros. LISA estará formada por tres satélites, pero su separación será de 2,5 millones de kilómetros y no cinco. En principio solo tendrá dos brazos interferómetros, aunque la ESA piensa que todavía queda margen para aumentar la sensibilidad y complejidad del proyecto con la participación de otros países. Tras los descubrimientos de LIGO, tanto China como la NASA han mostrado interés en participar de alguna forma en el proyecto, así que no podemos descartar que finalmente LISA sea un interferómetro más complejo con tres brazos láser.

Sensibilidad de LISA (ESA).
Sensibilidad de LISA (ESA).
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Sistema láser de LISA: dos telescopios de 30 cm que proyectarán un láser de 2 W de potencia (ESA).

La versión más avanzada tendría tres brazos, una separación entre naves de cinco millones de kilómetros y una misión primaria de cinco años. LISA tendrá una masa final de 6,1 toneladas y será lanzada mediante un Ariane 6.4, que situará las tres naves en una órbita heliocéntrica entre 50 y 65 millones de kilómetros detrás de la Tierra. Independientemente de que la NASA u otras agencias se sumen al carro de este proyecto europeo, ahora ya podemos asegurar que dentro de veinte años LISA cambiará nuestra manera de ver el cosmos.

LISA (ESA).
LISA (ESA).

34 Comentarios

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Oscar GarciaOscar Garcia

No se como van a conseguir mantener las naves en una posición perfecta sin que les afecte lo mas mínimo factores como el viento solar o la gravedad de los planetas.

RuneRune

La gravedad es (relativamente) fácil: como es 100% predecible, dejas que haga con tus satélites lo que quiera, y tienes en cuenta exactamente lo que hace para eliminarlo de la señal. Aparte, escoges una trayectoria en la que los efectos del problema de los tres cuerpos y/o anomalías gravitatorias sean lo mínimo posible.

EL viento solar es más interesante. Puesto que es muy difícil de modelar, lo que hacen es llevar una masa de referencia que aíslan de cualquier carga electromagnética. En cristiano, llevan una pelota que flota libre dentro de una caja, y el satélite entero maniobra para mantenerla en el centro de la caja. Como la pelota está aislada del universo exterior, sólo se mueve por acción de las fuerzas de gravedad, y el satélite se mantiene perfectamente centrado sobre ella con propulsores muy precisos. Ingenioso, ¿eh?

AndrésAndrés

El problema de este método es que gasta combustible. Así que las sondas tienen un periodo de vida limitado.

RuneRune

Seguro, pero al final, todas las naves tienen que usar propulsores, porque hasta los volantes de inercia se cargan. Bueno, las estabilizadas por espín no, pero ya están un tanto superadas, por aquello de que suele ser bueno tener una plataforma estable.

Aparte, cuanto más débil el propulsor de maniobra, mejor para la precisión de la misma, así que los propulsores eléctricos con empujes medidos en nanonewtons son bastante populares para estas cosas, y esos es más o menos igual de probable que fallen por desgaste antes de agotar sus tanques de combustible.

CharlesCharles

Sí, cinco años. En esta vida nada es gratis y nada es para siempre.

Fernando GeneraleFernando Generale

Peor e nunca no dudó que el proyecto es muy complejo pero si se suman otro socio como China talves lo veamos despegar mucho antes

amagoamago

por? si colaboran otros paises sera para hacerla mas ambiciosa y compleja y despegara igual o mas tarde, no? aunque yo tampoco se por que los plazos son tan largos, imagino que tiene que ser posible con mas dinero o medios adelantarlo, pero no lo se…

Kapitán KirkKapitán Kirk

Me alegro mucho, eso sí, me cuesta horrores imaginar cómo se hace para estabilizar las naves en unas condiciones tan exactas. ¿Los giroscopios tienen tanta precisión a esas distancias? Es increible.

Salud

amagoamago

creo que utilizan impulsores coloidales. es como utilizar inyectores de tinta de una impresora, acelerando gotas de combustible. el empuje es de micronewtons, asi que se utilizan para correcciones minusculas de posicion. la orientacion me imagino que si utilizara volantes de inercia convencionales

Horacio de ArgentinaHoracio de Argentina

20 años más… pero es que ya han pasado décadas planeando y refinando ésta misión ¿realmente se necesitan 17 años más para lanzarla?
Disculpen mi impaciencia, es que como sudamericano estoy acostumbrado al cortoplacismo.

Como sea, que bueno que LISA saliera adelante, gracias por el post

Martínez el FachaMartínez el Facha

Alucinante despliegue tecno-científico de la ESA. Para sentirse orgulloso!
Supongo que el éxito de LIGO multiplica el atractivo del detector espacial.
Lástima de los plazos, por supuesto.

Antonio (AKA "Un físico")Antonio (AKA "Un físico")

¿Os parecen mucho 20 años? Cualquiera que siga la actualidad aeroespacial sabe que, como vengo comentando: (1) China va a dar pasos de gigante en los próximos 20 años; (2) los USA puede que alcancen logros de relativo nivel [turismo espacial, etc.]; (3) los países emergentes van a lograr poco nuevo; (4) Rusia va a avanzar muy poco y Europa casi nada.
Por lo que cuenta Daniel, a este proyecto europeo LISA (que se inició en los USA en 1974 y tal vez se logren resultados para el 2037) debería denominarse la geLISA es decir la granddaughter european LISA. Ja, ja, ja.
Por el lado científico, LISA será muy interesante. Si hay 10^12 glaxias, y si un porcentaje de ellas contuvieran dos o más agujeros negros supermasivos en sus núcleos: una vez puesta en marcha LISA, ¿cuántas de esas colisiones detectaría al año?. Esto sí que es algo de lo que nuestros nietos europeos se sentirán orgullosos (lo que compensará el bochorno que nuestros nietos sentirán por lo que hizo europa respeto al cambio climático antropogénico: como Cañete bien sabe, nos estamos gastando muchísimo dinero en reducir el CO2, un gas que no contamina y que tiene un mínimo impacto en el efecto invernadero global, a cambio, lógicamente, de no obtener nada para el planeta, salvo cierta influencia política sobre los países menos desarrollados).

Ciudadano XCiudadano X

Joer, iba todo muy bien y de repente descarrilas XD

No contamina? El que? El aire? Sabes quien quien se traga el exceso de CO2? Porque eso si que lo está contaminando y está haciendo estragos. Cierto es que si hablamos de aire con la concentración actual no es muy peligroso (con la actual ojo..) Y gran parte del problema es que normalmente los procesos que generan ese CO2 también generan de regalo unas cuantas sustancias espectacularmente nocivas (que eso hay que tenerlo en cuenta también…)

Lo de que no afecta a la temperatura del planeta, ahí ya no voy a perder mucho el tiempo.. causa efecto, si pones un hielo en una bebida, la enfrias, si pones un gas invernadero en una atmosfera, que pasará…? Podemos ir a Venus a preguntar XD

La otra opción es que escribas una refutación del consenso cientifico internacional, (obviamente aportando pruebas y metodología) y te hagas rico y famoso.

SBSB

Bueno, siempre puede argumentar ante la comunidad científica que Trump piensa lo mismo, que eso del CO2 es una falacia jeje…

Antonio (AKA "Un físico")Antonio (AKA "Un físico")

Con el documento del enlace (más abajo) no me hice ni rico, ni famoso.
Lo malo de que no digáis vuestro nombre-apellido y vuestra filiación-estudios, es que hace imposible cualquier discusión. Tú puedes ser un ni-ni que haces perder el tiempo a los demás por fastidiar, puedes ser un profesor de instituto algo despistado, etc. Lo único que puedo aconsejarte es que revises las cifras que escribí en el documento y que saques tus propias conclusiones. Yo tengo claro que el CO2 no es un contaminente (p.8) y que su efecto invernadero es mínimo (p. 3, 7 ,9): nadie (ni el IPCC) ha cuantificado su efecto exacto, pero esa escasa incidencia no justifica la bochornosa corruptela climática europea y se demostrará.

amago (aka aritz, un ingeniero)amago (aka aritz, un ingeniero)

no se que aportan nombre y edtudios, pero ahi los tienes. despues de leerme tu documento la impresion que me da es que tus argumentos discuten los metodos utilizados por otros pero no aportan ningun contra argumento que nieguen sus conclusiones. no veo ningun argumento en contra de que haya calentamiento global antropogenico que es lo que esperaba ver en ese documento.

walkurtwalkurt

Antonio “kaka cientifico” es un viejo habitue de kos foros de naukas… y siempre desvaria, no le hagan caso.

Antonio (AKA "Un físico")Antonio (AKA "Un físico")

¡Qué listos que sois todos!. Yo no me escondo detrás de nicks chorras como: Ciudadano X, SB o este walkurt. Es un bochorno que vosotros, que os gusta leer sobre ciencia y tecnología, tengáis tan escasos fundamentos críticos. Os cedo gratis la información que recopilé sobre el cambio climático antropogénico: drive.google.com/file/d/0B4r_7eooq1u2ZlIwZFcxQ2ZWaHc
A ver si, al menos para defender esa teoría tan absurda, os formáis un poquito por vuestra cuenta leyendo por ejemplo ese documento o los documentos de la bibliografía (página 12).

CharlesCharles

Si estás tan seguro, lo que tienes que hacer es escribir un artículo científico y mandarlo a una revista de calidad. Si está bien te lo aceptarán y si no el referee te dirá qué es lo que está mal.

Si no te atreves o no cuentas con medios lo que te recomiendo es escribir a un experto en el tema, la mayor parte de los científicos están abiertos a cualquier cuestión y te responderán encantados a tus dudas (los emails institucionales son públicos).

Si esperas opiniones válidas sobre un tema tan complejo en un foro de un blog de aficionados a la astronomía es que eres muy inocente.

Lo que es muy negativo de tu actitud es dar por sentada tu opinión. En ciencia siempre se puede estar equivocado y hay que ser consciente de ello, de otro modo siempre vas a sesgar la información que llega en “buena” o “mala” en función de que sea compatible con tus creencias a priori (no es fácil hacerlo pero es necesario y desde luego tu no lo haces).

DolgovDolgov

a mi me gustaría saber qué relación existe entre la longitud de onda “gravitacional” y la energía que ha provocado dicho suceso (y si también está relacionado con el tiempo que tarda en ocurrir el “cataclismo” que la ha originado).
¿Hay algún sitio que explique ondas gravitacionales -con algo de rigor – para dummies? supongo que sí, si alguien lo sabe por favor que me/nos lo diga.
Gracias.

Pedro

Ya era hora. Empezaba a temer que se convirtiera en una nueva misión gafe como sucedió con la cancelada Darwin o que arrastrara problemas presupuestarios como Exomars…

amagoamago

me alegro mucho de que se apruebe este observatorio. aunque madre mia que plazos! habiendose ya supuestamente demostrado la tecnologia antes! ciertamente es fascinantemente compleja.

JxJx

La gravedad es algo que sabemos que existe sin duda alguna pero que ni conocemos ni entendemos como funciona, es una misteriosa fuerza, energía o un nuevo mundo de la física que afecta nuestro diario vivir, y al universo entero. como también es la gravedad al que ejerce su influencia sobre el tiempo, esa cuarta dimensión tan importante para nosotros.
Las ondas gravitacionales son como ese mensajero de la gravedad, es empezar a abrir esa ventana nueva para empezar a descubrir que es la gravedad.
Veo que en comparación con los observatorios de ondas gravitacionales atados en tierra como LIGO y VIRGO que el observatorio espacial LISA rastrea una gama de frecuencias mucho más rica de entre 0,1 mHz y 1 Hz, que es inaccesible en la Tierra debido a las limitaciones armlength y el ruido gradiente de gravedad terrestre, es una banda ricamente poblada de fuentes de ondas gravitacionales.
El primer telescopio u observatorio espacial de ondas gravitacionales. Eso es novedoso.

CharlesCharles

“…es una banda ricamente poblada de fuentes de ondas gravitacionales.” Eso es lo que se va a probar, de momento se piensa que es así.

No estoy de acuerdo con tu afirmación de “…sabemos que la gravedad existe pero no sabemos lo que es.” En ciencia nunca conocemos la realidad subyacente, solo existen descripciones de fenómenos empíricos. Ni siquiera es un objetivo de la ciencia saber lo que la gravedad es, solo preocupa tener una descripción de la realidad (empírica) que permita predecir el comportamiento de la misma dentro de un margen de error dado.

AuligAulig

Es brutal, una hazaña tecnológica brutal: medir billonésimas de milímetro en millones de kilómetros !!! ¡¡¡y flotando en el espacio a merced de las variaciones térmicas y radiaciones múltiples!!!
(todavía me asombra que en tierra puedan discriminar la señal de las contribuciones espurias, las millones de vibraciones a eliminar…pero por lo menos no se mueven los detectores)

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