Para entender la revolución de las ondas gravitacionales, y el desafío científico que supone LISA, hay que remontarse a su descubrimiento.
De nuevo, Einstein fue el principio
A principios del siglo pasado, Albert Einstein cambió radicalmente el concepto de gravedad que Newton pensó en el siglo XVIII. En lugar de ser una fuerza a distancia entre cuerpos con masa, la gravedad pasa a considerarse la manifestación de la curvatura del espacio y el tiempo producida por la presencia de masa y energía. Esto nos proporciona una explicación diferente del movimiento de los planetas alrededor del Sol.
En efecto, nuestra estrella, el objeto más masivo con diferencia del sistema solar, produce una deformación del espacio alrededor suyo que afecta al movimiento de los planetas.
Igual que en física newtoniana los objetos físicos describen trayectorias de mínimo esfuerzo (mínima acción), en la relatividad general siguen las trayectorias más cortas entre dos puntos de la geometría espacio-temporal. En el caso del Sol, la consecuencia es que los planetas sigan las órbitas elípticas que Johannes Kepler ya predijo a principios del siglo XVII.
La relatividad general de Einstein evita la acción a distancia newtoniana. Además, incorpora la gravedad en el seno de la física relativista que el mismo propuso. La misma que sirvió para que las leyes del electromagnetismo y las leyes del movimiento estuviesen en armonía.
El electromagnetismo y la relatividad general son teorías relativistas que comparten la misma estructura espacio-temporal. Una consecuencia inevitable es la existencia de ondas gravitacionales, de la misma forma que existen las ondas electromagnéticas (la luz).
El matemático y físico francés Henri Poincaré ya lo dedujo incluso antes de que Einstein formulase su teoría. Incluso predijo que viajan a la velocidad de luz, tal y como posteriormente demostró la relatividad general.
Así fueron detectadas
En 1916, Einstein vio que su teoría predice la existencia de las ondas gravitacionales y estudió sus propiedades. Sin embargo, no fueron detectadas de forma directa hasta casi un siglo después, en 2015, y supuso el premio Nobel de física del 2017.
El principal obstáculo para registrarlas es el efecto extremadamente débil de la gravedad sobre la materia. Esto hace que los cambios en la geometría espacio-temporal que las ondas gravitacionales producen, que se traducen en cambios en distancia entre objetos masivos, sean ínfimos. Se necesitó una tecnología al límite de lo que es posible actualmente, y un cataclismo cósmico, para que el observatorio norteamericano LIGO las detectase por primera vez.
La primera detección fue producida por un sistema binario de agujeros negros (cada uno tenía alrededor de treinta masas solares) cuya órbita se redujo, debido a la emisión de ondas gravitacionales, hasta que colisionaron. Desde entonces, LIGO y otros detectores terrestres (Virgo en Italia y KAGRA en Japón) han registrado otras 90 detecciones, y se esperan muchas más en breve.
El rápido crecimiento de la astronomía con ondas gravitacionales ha producido una revolución cuyo impacto en astrofísica justo acaba de comenzar. Lo siguiente es ir más allá del alcance y precisión de los detectores de ondas gravitacionales terrestres como LIGO y Virgo.
Agujeros negros masivos
Uno de los grandes objetivos científicos es observar agujeros negros supermasivos con ondas gravitacionales. Estos tienen un origen cosmológico y pueden ser la clave para responder algunas preguntas: ¿se formaron en el universo estructuras como las galaxias? ¿Son los agujeros negros tal y como nos dice la relatividad general? ¿Es la misma teoría de la relatividad general correcta en presencia de campos gravitacionales?…
Por qué un observatorio de ondas gravitacionales en el espacio
Los sistemas binarios de agujeros negros supermasivos emiten ondas gravitacionales de baja frecuencia. Pero resulta que el campo gravitacional terrestre presenta fluctuaciones a estas frecuencias que hacen imposible su detección. Por lo tanto, necesitamos un observatorio de ondas gravitacionales en el espacio. En este sentido, la Agencia Espacial Europea (ESA), con la participación de la NASA, seleccionó en 2017 la misión LISA (Antena Espacial de Interferometría Láser, por sus siglas en inglés).
LISA consistirá en una constelación triangular de tres naves espaciales, separadas por 2,5 millones de km, que seguirá a la Tierra, a una distancia de unos 50 millones de km, en su órbita alrededor del Sol. Las naves de la constelación LISA contienen masas en caída libre cuya distancia relativa entre naves se monitorizará mediante haces de luz láser. Finalmente, medidas interferométricas con dichos láseres nos permitirán predecir el paso de ondas gravitacionales.
El camino hasta LISA ha sido largo y ha supuesto décadas de desarrollos tecnológicos y científicos. Esto incluye una misión precursora, LISA Pathfinder (ESA), que en 2016-17 demostró el principio fundamental de medida de LISA.
Importante participación española en LISA
El Instituto de Ciencias del Espacio (ICE) del CSIC, en el marco del Instituto de Estudios Espaciales de Catalunya (IEEC), ha jugado un papel muy importante en LISA Pathfinder, liderando el subsistema de datos y diagnósticos. También lo jugará en LISA, para la cual se proveerá el subsistema científico de diagnósticos, uno de los cuatro grandes subsistemas de la misión. Se creará un centro de datos para la misión, desde donde se contribuirá al desarrollo de los algoritmos de detección de señales de ondas gravitacionales.
Actualmente LISA se encuentra en la fase de implementación después de que su diseño fuese adoptado por la ESA a principios del 2024.
Se necesitarán unos diez años de desarrollos tecnológicos para lanzar LISA hacia el año 2035. De esta forma, se situará en órbita el primer observatorio espacial de ondas gravitacionales.
Hasta el horizonte de los agujeros negros
LISA nos proporcionará la visión más cercana jamás obtenida del Universo primitivo, accediendo a procesos físicos de altas energías, de la misma magnitud de las energías involucradas en aceleradores de partículas como el del CERN. También nos permitirá explorar la estructura de los horizontes de los agujeros negros.
De manera similar, podremos comprobar hasta qué punto la relatividad general es válida en campos gravitacionales extremos, no explorados hasta ahora, incluyendo la posibilidad de observar fenómenos cuánticos gravitacionales.
El potencial de LISA para descubrimientos revolucionarios es enorme, gracias en parte a que nos abrirá una ventana al universo inexplorada hasta ahora. Permanezcan atentos.
Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation.
