Llum verda a la missió LISA, el primer Observatori d’Ones Gravitacionals a l’Espai

El Comitè del Programa Científic de l’Agència Espacial Europea (ESA) ha aprovat la missió LISA (Laser Interferometer Space Antenna), el primer esforç científic per detectar i estudiar ones gravitacionals des de l’espai. La contribució científica a Espanya és liderada per l’Institut de Ciències de l’Espai (ICE-CSIC) i l’Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (IEEC).

L’ESA reconeix mitjançant aquest pas, formalment anomenat “adopció”, que el concepte i la tecnologia de la missió estan prou avançats i dona llum verda per construir els instruments i la nau espacial. Aquests treballs començaran el gener del 2025, un cop elegit un contractista industrial europeu.

LISA no és només una nau espacial sinó una constel·lació de tres. Aquestes seguiran l’òrbita de la Terra al voltant del Sol, formant un triangle equilàter extremadament precís a l’espai. Cada costat del triangle tindrà 2,5 milions de quilòmetres de llargada (més de sis vegades la distància entre la Terra i la Lluna), i les naus intercanviaran raigs làser al llarg d’aquesta distància. El llançament de les tres naus espacials està previst per al 2035, en un coet Ariane 6.

Posant so a la pel·lícula de l’univers

Fa poc més d’un segle, Einstein va fer la revolucionària predicció que quan els objectes massius s’acceleren, sacsegen el teixit de l’espai-temps, produint unes ones minúscules conegudes com a ones gravitacionals. Gràcies als avenços tecnològics moderns, ara és possible detectar aquests senyals tan esquius.

LISA detectarà a través de tot l’univers les ones a l’espai-temps provocades per la col·lisió d’enormes forats negres als centres de les galàxies. Això permetrà a l’equip rastrejar l’origen d’aquests objectes, representar-ne el creixement fins a assolir milions de vegades més massa que la del Sol i determinar el paper que tenen en l’evolució de les galàxies.

“LISA és un esforç que mai no s’havia intentat. Utilitzant raigs làser a distàncies de desenes de quilòmetres, la instrumentació terrestre pot detectar ones gravitacionals procedents d’esdeveniments que involucren objectes de la mida de les estrelles, com ara explosions de supernoves o fusions d’estrelles hiperdenses i forats negres de massa estel·lar. Per ampliar les fronteres dels estudis gravitacionals cal anar a l’espai”, explica Nora Lützgendorf, científica líder del projecte LISA.

La missió està preparada per capturar el so gravitacional en els moments inicials del nostre univers, que prediuen les teories actuals, i oferir un indici directe dels primers segons després del Big Bang. A més, com que les ones gravitacionals contenen informació sobre la distància dels objectes que les van emetre, LISA ajudarà l’equip a mesurar el canvi en l’expansió de l’univers amb un criteri diferent de les tècniques utilitzades per la missió espacial Euclid i altres estudis, validant els seus resultats.

A la nostra galàxia, LISA detectarà molts objectes compactes fusionant-se, com ara nanes blanques o estrelles de neutrons, i ens brindarà una visió única de les etapes finals de l’evolució d’aquests sistemes. En identificar-ne la posició i les distàncies, LISA millorarà la nostra comprensió de l’estructura de la Via Làctia.

Per detectar ones gravitacionals, LISA utilitzarà cubs massissos d’or i platí, coneguts com a masses de prova (lleugerament més petites que els cubs de Rubik), que suren lliurement en una carcassa especial al cor de cada nau espacial. Les ones gravitacionals provocaran petits canvis en les distàncies entre les masses a les diferents naus espacials i la missió rastrejarà aquestes variacions mitjançant interferometria làser.

Aquesta tècnica requereix disparar raigs làser d’una nau espacial a una altra i després superposar el seu senyal per determinar canvis en les distàncies de les masses fins a unes milmilionèsimes de mil·límetre. La nau espacial s’ha de dissenyar de manera que res, excepte la geometria pròpia de l’espai-temps, afecti el moviment de les masses en caiguda lliure.

La contribució de l’Estat a LISA

Liderada per l’ESA, LISA és possible gràcies a la col·laboració entre l’ESA, la NASA i un consorci internacional de científics i científiques, el consorci LISA. La contribució de l’Estat espanyol està liderada per l’ICE-CSIC, juntament amb l’Institut de Ciències del Cosmos de la Universitat de Barcelona (ICCUB) i la Universitat Politècnica de Catalunya – BarcelonaTech (UPC), a través d’investigadors tots ells membres afiliats de l’IEEC.

La contribució se centra en el Subsistema de Diagnòstic Científic (SDS, per les sigles en anglès), un dels tres principals subsistemes de vol. El seu objectiu és mesurar les pertorbacions ambientals a bord de cadascun dels satèl·lits de la constel·lació per diferenciar-les de l’efecte que produirien les ones gravitacionals. El SDS comptarà amb sensors de temperatura, camp magnètic i radiació a cada satèl·lit.

“Per detectar ones gravitacionals, LISA mesurarà el desplaçament entre masses en caiguda lliure a cadascun dels tres satèl·lits a l’espai a un nivell sense precedents fins al nivell del picòmetre, aproximadament la mida dels àtoms”, afirma Miquel Nofrarias, investigador experimental d’ICE-CSIC i IEEC, i membre del consorci LISA. “Els sensors SDS hauran d’assolir nivells de precisió i estabilitat també sense precedents a l’espai per poder diferenciar l’efecte de les petites fluctuacions ambientals del produït per una ona gravitacional”, afegeix.

A més de la contribució a l’instrument LISA, l’ICE-CSIC també liderarà el desenvolupament d’un Centre de Distribució de Dades a Espanya juntament amb els algorismes necessaris per a la seva explotació científica. “El principal objectiu és dotar la comunitat científica espanyola de les eines necessàries per fer realitat el potencial científic de LISA, de manera que puguem fer descobriments revolucionaris amb impacte en Astrofísica, Cosmologia i Física Fonamental”, afirma Carlos F. Sopuerta, investigador de l’ICE-CSIC i de l’IEEC i membre de l’equip d’estudi científic de l’ESA per a la missió LISA.

La nau espacial segueix els passos de la seva predecessora LISA Pathfinder, que va demostrar que és possible mantenir les masses de prova en caiguda lliure amb un nivell de precisió sorprenent. La contribució espanyola a LISA Pathfinder, llançada el 2015, també va estar liderada per l’ICE-CSIC i l’IEEC en el marc del grup de recerca d’Astronomia Gravitacional de l’ICE-CSIC.

+++

IMATGE: Interpretació artística dels satèl·lits de la missió LISA al sistema solar observant ones gravitacionals d’una galàxia distant. Crèdits:  Universitat de  Florida / Simon Barke (CC BY 4.0).