El gran éxito de la misión LISA Pathfinder

Por Francisco R. Villatoro, el 2 marzo, 2019. Categoría(s): Ciencia • Física • Noticias • Physics • Science ✎ 13

El 3 de diciembre de 2015 la ESA (Agencia Europea del Espacio) lanzó el satélite artificial LISA Pathfinder. Su objetivo era validar la tecnología para la observación de ondas gravitacionales desde el espacio con LISA (Laser Interferometer Space Antenna). La misión LISA Pathfinder situada en el punto de Lagrange L1 Tierra-Sol fue todo un éxito. La misión LISA, liderada por la ESA con participación de la NASA, se lanzará a principios de los 2030. Gracias a ella se revolucionará la astronomía de ondas gravitacionales que nació en septiembre de 2015 gracias a LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) y recibió el Premio Nobel de Física en 2017.

Los resultados de LISA Pathfinder han sido mucho mejores de lo esperado. Gracias a ello, LISA promete ser todo un éxito y abrir una nueva ventana hacia el cosmos. El artículo con los resultados es M. Armano, H. Audley, …, P. Zweifel, “Beyond the Required LISA Free-Fall Performance: New LISA Pathfinder Results down to 20  μHz,” Phys. Rev. Lett. 120: 061101 (05 Feb 2018), doi: 10.1103/PhysRevLett.120.061101; más información divulgativa en Matteo Rini, “Synopsis: Space-Based Detection of Gravitational Waves Gets Closer,” APS Physics, 05 Feb 2018 [Link], y en el reciente Gudrun Wanner, “Space-based gravitational wave detection and how LISA Pathfinder successfully paved the way,” Nature Physics (01 Mar 2019), doi: https://doi.org/10.1038/s41567-019-0462-3 [ePDF].

Por cierto, se estima que la tercera temporada (O3) de toma de datos de LIGO-Virgo se iniciará el próximo 1 de abril de 2019, tras el final del ER14 que se iniciará el 4 de marzo de 2019 [según se preve en el último LIGO Weekly Report, 16–22 Feb 2019]. La duración esperada del O3 será de todo un año natural. Así se logrará duplicar, como mínimo, el catálogo de ondas gravitacionales observadas hasta el momento. Se espera también una nueva detección multimensajero de la colisión de dos estrellas de neutrones, quizás esta vez también usando neutrinos. Más aún, muchos deseamos que entre estas detecciones se encuentre la colisión de un agujero negro con una estrella de neutrones; su detección sería el gran hito del O3.

LISA será sensible a ondas gravitacionales con una frecuencia entre 20 μHz y 1 Hz; así será un complemento de LIGO-Virgo, que es sensible al rango entre 10 Hz y 10 kHz. Las ondas gravitacionales son cuadripolares; presentan dos máximos y dos mínimos por cada órbita de los dos cuerpos que giran uno alrededor de otro que las radian. Para una órbita circular la frecuencia de las ondas gravitacionales es exactamente el doble de la frecuencia orbital. Así LIGO-Virgo es sensible a a parejas de cuerpos que se orbitan unas pocas veces por segundo hasta unos cientos de veces por segundo. Mientras que LISA observará fuentes con periodos orbitales entre horas y pocos segundos. Hay millones de binarias formadas por dos enanas blancas en la Vía Láctea con periodos en este rango, algunas de las cuales serán observables por LISA (siendo imposibles de observar con LIGO-Virgo). Además, LISA observará durante más de un año fusiones de agujeros negros de masa estelar, de las que LIGO-Virgo solo puede observar los últimos instantes. Y también observará fusiones de agujeros negros supermasivos en los centros de galaxias en colisión.

Los tres satélites de LISA necesitarán un año tras su lanzamiento para situarse en su órbita heliocéntrica definitiva. Formarán un triángulo de 2.5 millones de kilómetros alrededor del punto L1 Tierra-Sol (esta animación muestra una aproximación a su órbita). Las ondas gravitacionales serán detectadas en LISA usando masas de oro y platino en forma de cubo con un lado de unos 46 mm (46.000 ± 0.005 mm) y una masa de unos 2 kg (1.928 ± 0.001 kg), que estuvieron en caída libre dentro de cada uno de los tres satélites. Las variaciones de la distancia entre las tres masas de prueba serán medidas con una precisión de 10 pm/Hz1/2 (en el rango de frecuencias observable); para ello se requiere que cada masa en caída libre tenga una aceleración residual menor de 3 fm/s2/Hz1/2. Así que habrá que minimizar todas las fuentes de ruido (magnéticas, electrostáticas, térmicas, asociadas al impacto de rayos cósmicos, asociadas a los propulsores de los satélites, etc.). Estudiarlas ha sido el objetivo de LISA Pathfinder.

LISA Pathfinder fue lanzada al espacio el 3 de diciembre de 2015 y su misión finalizó el 18 de julio de 2017. Esta figura muestra su instrumento principal, dos masas de prueba en caída libre separadas unos 37.6 ± 0.5 cm. Su desplazamiento relativo se midió de forma continua mediante interferometría óptica. Su objetivo era demostrar que se podía alcanzar una aceleración residual menor de 30 fm/s2/Hz1/2 (un factor de diez mayor que tendrá que alcanzarse en LISA). La toma de datos se inició el 1 de marzo de 2016, tras alcanzar el punto de Lagrange L1 Tierra-Sol. Tras tres meses de toma de datos se midió una aceleración residual de 5.2 fm/s2/Hz1/2. Cinco veces mejor de lo esperado. Además, se midió un ruido de lectura de 35 fm/Hz1/2, unos dos órdenes de magnitud por debajo de los 9 pm/Hz1/2 necesarios para que la misión fuera un éxito.

Durante toda la misión de LISA Pathfinder se realizaron multitud de medidas de todas las fuentes de ruido que tendrán que ser tenidas en cuenta en la futura misión LISA. Hay que destacar que hubo una despresurización (pédida de moléculas de gas hacia el espacio) que permitió reducir el ruido debido al movimiento browniano del gas alrededor de las masas de prueba. Así se observó cómo la aceleración residual se reducía hasta (1.74 ± 0.05) fm/s2/Hz1/2, a unos 2 mHz, un valor mucho mejor del necesario para el éxito de LISA. Por supuesto, para valores cercanos a 20  μHz, dado que la distancia entre las masas de prueba es muy pequeña, solo se pudo alcanzar (60 ± 10) fm/s2/Hz1/2, lo que sin lugar a dudas también es un gran éxito.

En resumen, la misión LISA Pathfinder nos ha mostrado que la misión LISA es factible y promete ser todo un éxito. Gracias a sus resultados se logrará realizar un diseño que minimice todas las fuentes de ruido y se lograrán niveles de sensibilidad más allá de lo soñado. Habrá que esperar hasta la década de los 2030, pero merecerá la pena la espera.



13 Comentarios

  1. Creo LISA estará en L5 (o L4, siempre me lío con cuál está «antes» y cuál «después») y no L1, que es el punto que se encuentra en la línea que une a la Tierra y al Sol.

    Como sea, ¡gracias por el artículo! Ahora a esperar al 2030 😉

    1. Ricardo, LISA Pathfinder fue enviado a L1 porque es un punto “más limpio” de polvo y pequeños asteroides que L4 o L5, que al ser puntos de Lagrange estables están “muy sucios”. Por otro lado, los tres satélites de LISA, o eLISA (evolved LISA, tras la reincorporación de NASA) tendrán órbitas heliocéntricas, pero no se encontrarán en ningún punto de Lagrange (ni L4, ni L5). Si te interesan los detalles de su órbita te recomiendo leer la propuesta L3 de LISA [PDF].

    1. Amago, porque son las unidades habituales para la densidad espectral de la amplitud de una onda en función de su frecuencia (spectral density). La idea es que la potencia es proporcional a la amplitud al cuadrado; la densidad espectral de potencia en función de la frecuencia tiene unidades de potencia por hercio (amplitud al cuadrado por hercio); por tanto, la densidad espectral de amplitud en función de la frecuencia tiene unidades de amplitud por raíz cuadrada de hercio. Cualquier libro de texto de ondas gravitacionales te explica en detalle la expresión concreta en dicho caso.

  2. Nada que no se haya escrito ya, léase The End of Science de John Horgan, primera edición de 1996, creo que recientemente salió la segunda edición en la que el autor, veinte años después, revisaba el estado de la cuestión, para encontrar que desafortunadamente la ciencia sigue en un marasmo que apunta a que quizás estemos ya “pinchando en hueso” y que no podemos esperar entonces la misma tasa de avances espectaculares que se dio hace un siglo, puesto que estaríamos frente a ciertos límites prácticos que impiden nuestro avance.

    Una posición muy pesimista, que en mi opinión difícilmente es aplicable a la “ciencia” en general, aunque sí a ciertas parcelas de la misma, como por ejemplo la física fundamental. En este caso concreto otros, por ejemplo Bee, creen que la clave explicativa a nuestra situación actual no serían esos supuestos límites prácticos a nuestra labor de investigación, sino la forma equivocada de abordar los retos básicos que están planteados.

    Pero lo más paradójico es que mientras en física fundamental ciertamente hay un estancamiento preocupante -al menos así lo percibo yo, por el motivo que sea, en ciencia aplicada, por el contrario, el avance parece exponencial.

    Quizás en una o dos décadas podamos ver mejor dónde estamos realmente en física fundamental, el tiempo dirá.

    1. Jesús:

      Te equivocas terriblemente; por lo menos habreís de responder la pregunta que siempre evitan responder a toda costa los pesimistas anti-ciencia: ¿Qué es es exactamente un “avance espectacular” en física fundamental?. Con muchos ejemplos, no del pasado, de lo que podría ocurrir en el futuro.

      Con la tecnología actual y la aparecerá en los próximos veinte años es perfectamente posible identificar algunos de los microconstituyentes de materia oscura (o su totalidad si es unicomponente), esclarecer la jerarquía de masas de los neutrinos, resolver el problema CP fuerte en QCD, encontrar los primeros compañeros supersimétricos (o cualqueir cosa BSM que pudiera estar ligeramente arriba de la escala electrodébil), confirmar la existencia de modos B en el fondo cósmico de microondas (lo cual sería un avance titánico que confirma todo un nuevo paradigma cosmológico a nivel experimental) y un enorme etc.

      ¿Qué de todo eso no está “a la altura” de sus expectativas y demuestra que nuestra tecnología es insuficiente para explorar preguntas “fundamentales”?

  3. Varias matizaciones:
    1. LISA será sensible hasta eventos de frecuencias de 1 mHz pero por encima como muestra la curva ya no será tan fácil para ella medir. De hecho, TianQin (china) y la japonesa DeCIGO tienen pensado entrar en esa zona de frecuencias porque ahí LISA tendrá problemas.
    2. Se ha pensado en usar cubesats para otro tipo de experimentos de ondas gravitacionales con un brazo más pequeño que los de LISA. No recuerdo el paper pero es una idea fascinante.
    3. Ojalá yo tuviera contactos en las altas esferas para poder acelerar este proyecto y los de ondas gravitacionales. Se dedica mucho dinero a cosas más absurdas… Si se invirtiera en esto, podríamos tener LISA volando antes…YO quiero verla volar antes de 2034. Quizás los chinos y los japoneses se adelanten, pero creo KAGRA y LIGO India llegarán antes…

    Necesitamos abrir la ventana gravitacional. Los PTA serán sensibles en una década espero a la zona de nHz pero necesitamos detectar ondas gravitacionales primordiales y posiblemente encontrar sorpresas en los régimenes intermedios de frecuencias. Ojalá haya fuentes inesperadas que desconozcamos…

    Warp speed!!!!!!

      1. Oh, sí…Los chinos se han puesto las pilas en todo. TAmbién gracias a la inestimable ayuda de las empresas que se deslocalizaron allí para maximizar beneficios pero que dejaron conocimiento que fue rápidamente plagiado. Y ojito…Cuando se ponen serios, los chinos copian Y mejoran las cosas…No digo que lo hagan siempre. Pero me hace gracia que ahora en USA y otros sitios acusen a China de espionaje, blablabla…Ha pasado con un montón de cosas…Algunas las sé porque fui profesor de clases particulares muchos años y me enteré de cómo lo hacían para mejorar paneles y monitores, ingenuos los otros…
        Y bueno, porque aún no les han dejado en Europa con los coches…Imaginaros coches baratos que duren…Es de las pocas cosas donde Europa sí que puso coto a las importaciones chinas. Sin embargo, ahí Toyota, Hyundai, Honda, han pegado un mordisco muy grande al mercado porque algunos constructores europeos no hicieron los deberes…
        Volviendo a las ondas gravitacionales, hay más de un preproyecto de space-born gravitational wave by Chinese. Y por otros…
        UN review ya antiguo https://arxiv.org/pdf/1610.01148.pdf
        Seguro que no conocías ni Astrod, ni a OMEGA…Tal vez sí a BBO…¡Quiero vivir para ver/medir ondas gravitacionales del Big Bang!
        La propuesta de los cubesats es esencialmente “occidental” https://arxiv.org/pdf/1811.04743.pdf, SAGE. Es un concepto aún, pero si despertamos y dejamos de hacer chorradas, podemos hacer cosas interesantes en poco tiempo…Y dados los aún limitados datos de colliders sobre nueva física, debemos empezar a poner huevos en sacas adicionales: neutrinos (icecube y similares), rayos gamma (CTA), y ondas gravitacionales (sí o sí, hay que ir al espacio).
        Si la gente supiera cuántas cosas podríamos aprovechar con lo que se inviertiera en desarrollo de esas 3 astronomías (y cuando vengan, que vendrán, las partículas de materia oscura), … No obstante, supongo somos herederos de la sociedad post-internet.

  4. Perdona que discrepe, pero la inversión en estos proyectos, siendo importante, es mucho menor que muchos otros dispendios que se realizan en películas, eventos deportivos, o similar. A cambio, sin embargo, aporta un conocimiento de valor incalculable que, a la larga, puede que lleve a la supervivencia de la especie humana, que no tendrá más remedio que salir de la Tierra, primero, y luego del sistema solar para sobrevivir.

    Saludos,

  5. Dado lo improbable de que en el mejor de los casos fuesen más de media docena (y seguridad de que nunca sería toda la Humanidad) los que pudieran llegar a algun satelite habitable,
    y la aún menor probabilidad de que alli se viviera bien y valiese la pena reproducirse etc,
    y menor aún de que se encontrase en ese satelite alguna ayuda de otros seres,y agua y alimentos adecuados a nuestros organismos etc,pues quizás sea más acertado concentrarnos en aprender a entendernos en este mundo y a conservarlo al menos algunos milenios más.
    O quizás muchos milenios si además aprendemos a limitar nuestro número y a conservar
    esta Tierra.
    Creo que por ej.ahora deberiamos empezar por ese programa propuesto la semana pasada de repoblar 900 millones de hectareas para ir eliminando el CO2.Y avanzar en todos los demás posibles soluciones .
    Saludos y gracias

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