El siguiente paso hacia un observatorio de ondas gravitacionales en el espacio

La creación de un observatorio espacial de ondas gravitacionales —ondulaciones en el tejido espacio-temporal creadas por la aceleración de objetos masivos— fue definida en 2013 como el objetivo para la tercera gran misión (L3) del plan Visión Cósmica de la ESA.

En 2014 se nombró al Equipo Consultivo del Observatorio Gravitacional, compuesto por expertos independientes. Este equipo completó su informe final a principios de este año, recomendando a la ESA que continuara su misión tras verificar la viabilidad de un diseño multisatelital con masas de prueba en caída libre vinculadas a través de millones de kilómetros mediante láseres.

Ahora, tras la primera detección de estas huidizas ondas con experimentos en la Tierra y visto el éxito de la misión LISA Pathfinder de la ESA, que demostró algunas de las tecnologías clave necesarias para detectar ondas gravitacionales desde el espacio, la agencia invita a la comunidad científica a enviar sus propuestas para la primera misión espacial de observación de este tipo de ondas.

“Las ondas gravitacionales prometen abrir una nueva ventana a la astronomía, revelando potentes fenómenos a través del Universo que no podemos detectar mediante observaciones de luz cósmica”, explica Álvaro Giménez, director de ciencia de la ESA.

Predichas hace un siglo por la Teoría general de la relatividad de Albert Einstein, las ondas gravitacionales se resistían hasta que el Observatorio de interferometría láser de ondas gravitatorias (LIGO) y la Colaboración Virgo las detectaron en septiembre de 2015, anunciando su confirmación a principios de este año.

La señal procedía de la confluencia de dos agujeros negros, cada uno con una masa 30 veces mayor que la del Sol y a unos 1.300 millones de años luz de distancia. En diciembre de 2015 se produjo una segunda detección, que se hizo pública en junio y que revelaba las ondas gravitacionales de otra fusión de agujeros negros, que esta vez implicaba objetos menores, con masas unas 7 y 14 veces mayores que nuestra estrella. 

Entretanto, en diciembre de 2015 se lanzó la misión LISA Pathfinder, que comenzó sus operaciones científicas en marzo de este año. Su objetivo era probar algunas de las tecnologías clave que podrían utilizarse para construir un observatorio espacial de ondas gravitacionales.

Los datos recopilados en sus dos primeros meses de funcionamiento demostraban que realmente es posible eliminar las perturbaciones externas en las masas de prueba puestas en caída libre con el nivel de precisión necesario para medir el efecto que las ondas gravitacionales provocan en su movimiento.

Aunque los detectores terrestres son sensibles a ondas gravitacionales con frecuencias de unos 100 Hz (cien ciclos de oscilación por segundo), un observatorio espacial sería capaz de detectar ondas de baja frecuencia, de 1 Hz a 0,1 mHz. Las ondas gravitacionales con distintas frecuencias transportan información sobre diversos acontecimientos cósmicos, igual que las observaciones astronómicas en luz visible son sensibles a las estrellas en las principales fases de su vida, mientras que las observaciones en rayos X pueden desvelar las fases tempranas de vida estelar o los vestigios de su desaparición.

En particular, las ondas gravitacionales de baja frecuencia se asocian a objetos cósmicos aún más exóticos que las de alta frecuencia: agujeros negros supermasivos, con masas millones e incluso miles de millones de veces más grandes que el Sol y situadas en el centro de galaxias masivas. Las ondas se producen cuando dos de estos agujeros negros confluyen durante una fusión de galaxias, o cuando un objeto compacto menor, como una estrella de neutrones o un agujero negro de masa estelar, gira hacia un agujero negro supermasivo.

Observar las oscilaciones en el tejido del espacio-tiempo producidas por estos potentes eventos permitirá estudiar cómo se formaron las galaxias y cuál fue su evolución en la historia del Universo, así como probar la relatividad general de Einstein en el régimen de campo fuerte.

Los conceptos para la misión L3 de la ESA deberán centrarse en la exploración del Universo con ondas gravitacionales de baja frecuencia, complementando las observaciones efectuadas en la Tierra para explotar plenamente este nuevo campo de la astronomía gravitacional. El lanzamiento de la misión está previsto para 2034.

Las lecciones aprendidas por LISA Pathfinder serán clave a la hora de desarrollar esta misión, aunque también se necesitará mucha tecnología nueva para ampliar el diseño de uno a múltiples satélites. Por ejemplo, harán falta láseres mucho más potentes que los utilizados en LISA Pathfinder, así como telescopios de alta estabilidad, para vincular las masas en caída libre a lo largo de millones de kilómetros.

Las grandes misiones del Programa científico de la ESA están dirigidas por la propia agencia, pero admiten colaboración internacional. La primera de estas misiones es Juice, el Explorador de las Lunas de Hielo de Júpiter (JUpiter ICy moons Explorer), que se lanzará en 2022. La segunda es el Telescopio Avanzado para la Astrofísica de Alta Energía Athena (Advanced Telescope for High-ENergy Astrophysics), un observatorio de rayos X que investigará el Universo más caliente y energético, cuyo lanzamiento está previsto para 2028.

Las cartas de intenciones para el nuevo observatorio espacial de ondas gravitacionales de la ESA deben enviarse antes del 15 de noviembre, mientras que la fecha límite para las propuestas completas es el 16 de enero de 2017. Está previsto que la selección se realice en el primer semestre de 2017, con una fase preliminar de estudio interno ese mismo año. 

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