Una nueva ventana a las ondas gravitacionales

• Título: Sub-Femto-g Free Fall for Space-Based Gravitational Wave Observatories: LISA Pathfinder Results
• Autores: LISA Pathfinder team
• Estado: Publicado en Physical Review Letters (acceso libre)
• Astrobito original: A new path to gravitational waves, by Kelly Malone

A esta altura, todos somos conscientes del descubrimiento de ondas gravitacionales por la colaboración LIGO este año. Sin embargo, el interés científico por las ondas gravitacionales seguirá creciendo.  El trabajo que resumimos hoy es acerca del LISA Pathfinder, un experimento de la Agencia Espacial Europea que fue lanzada en diciembre de 2015 con el objetivo de poner a prueba la tecnología necesaria para un observatorio de ondas gravitacionales en el espacio. (El observatorio eLISA tiene una fecha de lanzamiento estimada en 2034.)

Figura 2 del trabajo: Esquema de la nave LISA Pathfinder. TM1 y TM2 son las masas de prueba. Δx es la cantidad que debe ser medida para calcular Δg, mientras que x1 es la distancia entre la primera masa de prueba y la nave. Ambas cantidades son medidas por interferómetros. Para controlar el experimento, la masa 2 se mantiene a una distancia fija de la masa 1 y centrada entre los electrodos, que sirven de escudo electrostático. No se muestran todos los electrodos. Más información sobre las fuerzas presentes se pueden encontrar en el trabajo.

Salir al espacio es necesario para detectar ondas gravitacionales de baja frecuencia. Los autores explican que quedarse en la Tierra no es factible por dos razones. Primero, hay una gran aceleración de un laboratorio basado en la Tierra con respecto al marco inercial local (Un marco inercial es un marco de referencia donde las leyes de Newton se cumplen. Ve aquí para entender por qué la superficie de la Tierra no es un marco inercial.) Además, en la Tierra, hay ruido gravitacional a bajas frecuencias, el cual proviene de eventos sísmicos, la atmósfera y objetos masivos (como un camión) pasando cerca del laboratorio (fuente).

Al igual que LIGO, un observatorio espacial operaría bajo los mismo principios de interferometría, con las masas de prueba estando encapsuladas en diferentes naves espaciales separadas por un par de millones de kilómetros (esto quiere decir que la luz del láser tendrá que atravesar una larga distancia).  LISA Pathfinder es una versión significativamente más pequeña que eLISA. Notablemente, las dos masas de prueba, de una aleación de oro y platino, están contenidas en este caso dentro de la misma nave espacial. Debido a la longitud extremadamente reducida de los brazos interferométricos, LISA Pathfinder no es sensible a las ondas gravitacionales. En cambio, es sensible a la aceleración diferencial entre las dos masas de prueba (N. del T.: debida a otras fuentes que introducirían ruido en la medición).  Esto es importante porque los planes de un observatorio espacial de ondas gravitacionales requieren que las masas de prueba estén en caída libre.

LISA Pathfinder fue lanzado en diciembre de 2015 pero no empezó a operar hasta el primero de marzo de 2016. Eso se debe a que las mediciones debían ser realizadas en el punto de Lagrange L1, donde las fuerzas gravitacionales del Sol y la Tierra son iguales, creando un punto de equilibrio.  Allí, es posible estar prácticamente en caída libre.

Figura 1 del trabajo: éste es el resultado principal del trabajo. El ruido va como la raíz cuadrada de la densidad espectral (eje y). Los datos se muestran en gris; la curva roja muestra los datos corregidos por la fuerza centrífuga y en azul claro se muestra el resultado luego de aplicar también la corrección por el movimiento de la nave. Nótese que la curva azul se encuentra muy por debajo del requisito impuesto sobre LISA Pathfinder (LPF), y para ciertas frecuencias, el ruido está incluso por debajo del requisito para un observatorio de ondas gravitacionales completo en el espacio (aquí indicado como “LISA”). N. del T.: la raíz de la densidad espectral del eje y es una manera de medir la aceleración relativa de las masas dividida por la raíz cuadrada de la frecuencia de medición (eje x).

 

El observable principal de este trabajo es la medición de Δg, la aceleración relativa entre las masas de prueba. Ésta fue determinada midiendo Δx, el desplazamiento diferencial de las dos masas de prueba y tomando la derivada segunda (recuérdese que la segunda derivada del desplazamiento es la aceleración), y agregando algunas correcciones debidas al movimiento de la nave, la fuerza centrífuga, etc. (Véase la ecuación 1 del trabajo para una explicación más detallada.) Es interesante notar que el ruido asociado con esta aceleración relativa es menor que el requisito sobre LISA Pathfinder por un factor de 5. Increíblemente, es cantidad está por debajo del requisito impuesto sobre eLISA para frecuencias mayores a 10 mHz, y dentro de un factor 1.25  del requisito sobre LISA para todas las frecuencias. El ruido puede ser explicado por el movimiento Browniano de las masas de prueba en presencia de amortiguación viscosa debido al gas que las rodea.  Así pues, ¡está es una demostración exitosa de que un observatorio de ondas gravitacionales en el espacio es viable!

Crédito de la imagen de portada: ESA-C.Carreau.