LISA será un notable observatorio de ondas gravitacionales, pero hay una forma de hacerlo 100 veces más poderoso
Por Matt Williams, Universe Today.
09 de mayo de 2023.
Impresión artística de la antena espacial del interferómetro láser (LISA). Crédito: ESA
La detección por primera vez de ondas gravitacionales (GW) por parte de investigadores del Observatorio de Ondas Gravitacionales con Interferómetro Láser (LIGO) en 2015 desencadenó una revolución en la astronomía. Este fenómeno consiste en ondas en el espacio-tiempo causadas por la fusión de objetos masivos y fue predicho un siglo antes por la Teoría General de la Relatividad de Einstein. En los próximos años, este floreciente campo avanzará considerablemente gracias a la introducción de observatorios de próxima generación, como la Antena Espacial de Interferómetro Láser (LISA).
Con una mayor sensibilidad, los astrónomos podrán rastrear los eventos de GW hasta su fuente y utilizarlos para sondear el interior de objetos exóticos y las leyes de la física. Como parte de su ciclo de planificación Voyage 2050, la Agencia Espacial Europea (ESA) está considerando temas de misión que podrían estar listos para 2050, incluida la astronomía GW. En un artículo reciente, investigadores de la Sección de Análisis de Misión de la ESA y la Universidad de Glasgow presentaron un nuevo concepto que se basaría en LISA, conocido como LISAmax. Como informan, este observatorio podría mejorar potencialmente la sensibilidad de GW en dos órdenes de magnitud.
La investigación fue dirigida por el físico teórico Dr. Waldemar Martens, analista de misiones en el Centro Europeo de Operaciones Espaciales (ESOC) de la ESA en Darmstadt, Alemania. A él se unieron el ingeniero aeroespacial y astrofísico Michael Khan, también analista de misiones en el ESOC, y el astrofísico Dr. Jean-Baptiste Bayle, investigador en astronomía y astrofísica de la Universidad de Glasgow. El documento que describe sus hallazgos apareció en línea en el servidor de preimpresión arXiv recientemente y actualmente está siendo revisado para su publicación por la revista Classical and Quantum Gravity.
Desde que los científicos de LIGO los detectaron por primera vez en 2015, los investigadores de LIGO y otros observatorios en todo el mundo han perfeccionado los tipos de eventos GW que pueden detectar. Esto incluye el Observatorio Virgo en Italia (cerca de Pisa) y el Detector de ondas gravitacionales Kamioka (KAGRA) en Hida, Japón. Desde entonces, estos observatorios se han asociado con LIGO, formando la Colaboración Ligo-Virgo-KAGRA (LVK). Los esfuerzos de estos y otros observatorios, además de las actualizaciones que han proporcionado una mayor sensibilidad, han multiplicado la cantidad de eventos detectados e incluso han rastreado algunos hasta sus fuentes.
Como Dr. Martens le dijo a Universe Today por correo electrónico, este trabajo pionero ha sido invaluable. Pero como todas las formas de astronomía, el progreso futuro depende en parte de tener observatorios en el espacio:
"Ahora que no hay duda de que las ondas gravitacionales se pueden medir, los astrónomos quieren usarlas como una fuente adicional de información donde antes solo estaban disponibles las ondas electromagnéticas. Los detectores terrestres, como LIGO/Virgo/Kagra, son sensibles en el rango de frecuencia de decenas de hercios a varios kilohercios, lo que los hace sensibles a fuentes como fusiones de agujeros negros de unas pocas decenas de masas solares.
"Sin embargo, se sabe que existen objetos mucho más grandes, como agujeros negros supermasivos (> 10^6 masas solares), en el centro de las galaxias. Las fusiones de estos objetos producen ondas gravitacionales muy por debajo de la banda sensible de los detectores terrestres. Para verlos, tenemos que ir al espacio y construir un observatorio, como LISA, que tiene una longitud de brazo de 2,5 millones de kilómetros".
Hasta ahora, los astrónomos han detectado eventos de GW causados por agujeros negros binarios (BBH) o estrellas de neutrones binarias (eventos de kilonova), donde los cuerpos coorbitantes finalmente se fusionaron. También se teoriza que hay muchas otras fuentes potenciales, y el estudio de estos eventos podría mejorar nuestra comprensión del Universo. "Entre ellos se encuentran las ondas gravitacionales primordiales que se produjeron durante los procesos una fracción de segundo después del Big Bang", dijo el Dr. Martens. "Esperamos que LISA pueda detectarlos, pero aún no está claro. Esa es una de las razones por las que se consideran detectores con mayor sensibilidad y/o diferentes bandas de frecuencia para Voyage 2050".
La Voyager 2050 es el último ciclo de planificación que pasa a formar parte del Programa Científico de la agencia, la base y el principal "programa obligatorio" de la Agencia Espacial Europea. Todos los estados miembros deben contribuir, y los objetivos científicos, las propuestas y la financiación se seleccionan por decisión unánime. Estos ciclos tienen como objetivo establecer un horizonte de financiación a largo plazo que permita a los estados miembros planificar sus prioridades con suficiente antelación y proporcionar a la comunidad científica europea una visión clara de qué áreas de investigación merecen inversión y desarrollo.
Desde la década de 1980, el programa se ha planificado con ciclos de aproximadamente 20 años, en consonancia con el tiempo necesario para preparar ambiciosas misiones espaciales. El primer ciclo de planificación (Horizon 2000) se estableció en 1984 y consistió en decisiones que condujeron a las misiones del Observatorio Solar y Heliosférico (SOHO), Cluster, Rosetta, XMM-Newton y Herschel desde mediados de 1990 hasta principios del siglo XXI. En 2005, se lanzó un nuevo ciclo de planificación (Visión Cósmica), que incluye propuestas de misiones que se realizarían entre 2015 y 2025.
Esto preparó el camino para misiones como el recientemente lanzado JUpiter ICy moons Explorer (JUICE) y el observatorio de rayos X del Telescopio Avanzado para Astrofísica de Alta Energía (ATHENA) y las misiones LISA cuyo lanzamiento está programado para la década de 2030. El ciclo más reciente, Voyage 2050, fue iniciado por la Directora de Ciencias de la ESA, Carole Mundell, para seleccionar propiedades científicas para el seguimiento de las misiones ATHENA y LISA. Si bien estas misiones cambiarán las reglas del juego, especialmente en colaboración, Dr. Martens y sus colegas proponen formas en las que la misión LISA podría mejorarse aún más. Como explicó:
"La idea básica de LISAmax es detectar GW a frecuencias aún más bajas que las que puede hacer LISA. Para ser sensible a estas frecuencias, uno debe aumentar los brazos láser del detector. Brazos más grandes significan longitudes de onda más grandes y, por lo tanto, frecuencias más bajas. Tres naves espaciales LISAmax se colocan cerca de los puntos triangulares de Lagrange en el sistema Sol-Tierra, lo que le da al detector una longitud de brazo de 259 millones de km. En comparación, los brazos de LISA tienen una longitud de 2,5 millones de km. Esto hace que LISAmax sea sensible a GW en la banda de micro-Hertz y abre una nueva ventana para la astronomía GW".
"En términos generales, cualquier fuente que LISA pueda medir por debajo de 1 mHz, puede medirse con LISAmax a una relación señal-ruido que es aproximadamente dos órdenes de magnitud mejor. Un ejemplo que se analiza en el documento es la fase inspiral de binarios de agujeros negros supermasivos. Si bien LISA solo podrá ver tales fuentes poco antes del evento de fusión final, LISAmax puede observar estos objetos miles de años antes, lo que permite una medición mucho mejor de ciertos parámetros".
La comunidad científica está investigando este concepto, que podría tener implicaciones drásticas para el futuro de la astronomía GW. Además de expandir el rango de eventos GW que podrían detectarse, los observatorios GW de próxima generación pueden rastrear más eventos hasta sus fuentes. Además de eso, los astrónomos anticipan que los GW les permitirán explorar las leyes de la física, sondear el interior de objetos extremos e incluso ayudar en el estudio de planetas y satélites.
La propuesta presentada por el Dr. Martens y sus colegas es uno de varios conceptos de GW presentados a la ESA para el programa Voyage 2050. Estos conceptos incluyen un interferómetro basado en el espacio que examinaría el cielo en busca de GW en el rango de frecuencia de milihercios a microhercios (mHz a µ-Hz). Otro propone cómo los interferómetros sensibles a GW en el rango de mHz podrían usarse para aprender más sobre la naturaleza de los agujeros negros. Otros muestran cómo las observaciones en el rango de decihercios (dHz) podrían proporcionar el "eslabón perdido" para la astronomía GW, mientras que la astronomía de alto ángulo podría ayudar a rastrear GW hasta su origen.
La investigación de la física del Universo primitivo, que incluye el estudio de las ondas gravitacionales primordiales, es también un tema importante del programa Voyage 2050 de la ESA. Al examinar los GW creados durante la época inflacionaria, los científicos finalmente podrían probar la física y la microfísica de este período cósmico temprano.
Fuente:
https://phys.org/news/2023-05-lisa-remarkable-gravitational-wave-observatory-powerful.html