La ciencia que LISA necesita

Título: Getting Ready for LISA: The Data, Support and Preparation Needed to Maximize US Participation in Space-Based Gravitational Wave Science
Autores: Kelly Holley-Bockelmann (for the NASA LISA Study Team); J. Bellovary, P. Bender, E. Berti, et. al., 
Institución del primer autor: Departamento de Física y Astronomía, Universidad Vanderbilt.
arXiv: arXiv:2012.02650 [astro-ph.IM]

El espectro electromagnético forma parte de nuestro: ¿hay Wi-Fi (2.4/5 GHz) en este café?; mi emisora favorita es la 106.9 (MHz FM); calentaré mi comida en el microondas (2450 MHz); ¿tienes encendido el Bluetooth (2.402 GHz)?; la imagen de M87 fue lograda con radio telescopios (230 GHz); me han medido la temperatura con un termómetro infrarrojo (1.1 mHz); etc. El espectro electromagnético abarca desde las ondas de radio (10²Hz) hasta los rayos Gamma (10²⁴Hz), es decir alrededor de 22 ordenes de magnitud.

Las ondas electromagnéticas son campos eléctricos y magnéticos que varían en el tiempo, que se generan típicamente por pequeños movimientos de cargas dentro de los objetos y tienen longitudes de onda mucho más pequeñas que los objetos que las generan. Nuestros ojos, por ejemplo, solamente observan desde 4×10¹⁴Hz (extremo rojo) hasta 7×10¹⁴Hz (extremo azul). En otras palabras, todos los colores y lo que hemos visto en nuestras vidas, son solamente una pequeñísima fracción de toda la luz que emite el Universo.  

El observatorio de ondas gravitacionales por interferometría láser (LIGO), fue diseñado para detectar ondas gravitacionales en el rango de frecuencias de 10 Hz a 10 kHz. La primera detección de ondas gravitacionales, realizada hace más de cinco años, nos permitió echar un “vistazo” a un lugar desconocido: el espectro gravitacional. ¿Es el espectro gravitacional igual de interesante y amplio? ¡Sí!

Las ondas gravitacionales son ondas en la curvatura del espacio-tiempo generadas por el movimiento de masas y tienen longitudes de onda más largas que los objetos que las generan. En principio, las ondas gravitacionales existen en cualquier frecuencia. Sin embargo, las ondas de muy baja frecuencia nos resultan imposibles de detectar (e.g., las producidas por el movimiento de un planeta alrededor de una estrella), y tampoco conocemos (esperamos) fuentes de ondas gravitacionales de muy alta frecuencia. De esta manera el espectro gravitacional de interés se encuentra en el rango que va desde 10^-7Hz hasta los 10¹¹Hz. LIGO nos proporciona observaciones en alrededor de cuatro órdenes de magnitud de los 18 posibles. 

De manera análoga como los rayos-X (que no vemos con nuestros ojos) nos proporcionan información de varios sistemas físicos (¡o de nuestros huesos!), otras frecuencias del espectro gravitacional nos proporcionarán información de otros sistemas astrofísicos y requieren de otros instrumentos, diferentes a LIGO, para ser detectadas (ver Fig. 1). ¡LISA al rescate! La antena espacial de interferómetro láser (LISA, por sus siglas en inglés) consistirá en tres satélites en órbita solar a 5 millones de kilómetros de distancia, cada uno equipado con láseres para monitorear sus separaciones relativas para medir, con bastante precisión, los cambios causados por el paso de ondas gravitacionales. 

LISA es un proyecto de la ESA con la colaboración de NASA como un socio minoritario, planeada para ser lanzada en el 2034 (¯\_(ツ)_/¯), que observará entre 10^-5Hz y 1Hz, y por lo tanto sistemas muy diferentes a los que observa LIGO. Además del inmenso desafío tecnológico que esta misión acarrea (no debe resultar trivial ubicar y mantener tres satélites en una configuración equilátera con semejantes separaciones), existen también varios desafíos teóricos que la comunidad científica debe resolver antes de que LISA esté en el espacio. Ambos desafíos solamente se podrán enfrentar con una colaboración global de científicos y científicas. 

Quizá el desafío más grande que nos trae la misión LISA consiste en que estos satélites detectarán todo el cielo todo el tiempo: las señales de todas las fuentes detectables estarán presentes en los datos recolectados, lo que equivale a decenas de miles de fuentes individuales de muchos tipos con características muy diversas. Además, en los datos de LISA habrá un continuo de señales de sistemas binarios galácticos que no podremos distinguir, y un posible e intrigante fondo astrofísico o cosmológico constante. Coloquialmente este problema se conoce como el “efecto de fiesta de cóctel”, es decir el problema de ser capaces de focalizar la atención a un estímulo particular mientras se filtra un rango mayor de estímulos. Como cuando una persona consigue concentrarse en una sola conversación en medio de una sala ruidosa. Este efecto no ocurre en los datos que LIGO recolecta, ya que en el rango de frecuencia que este instrumento observa, la mayor parte del tiempo no hay señales, es decir la mayor parte del tiempo solamente hay ruido instrumental. Identificar las señales astrofísicas individuales y separarlas de los efectos instrumentales constituye la mayor parte del esfuerzo de análisis para producir ciencia con LISA. 

Como resultado del equipo de la NASA para el estudio de la misión LISA, surgió un documento que resume, en la medida de lo posible, cómo la NASA podría apoyar a los científicos y científicas estadounidenses para participar y maximizar el rendimiento científico de esta misión. Entre sus hallazgos reportaron que la productividad científica de LISA se verá mejorada en gran medida si se crea un centro científico estadounidense con todas las funciones y se plantea, desde ya, un modelo de datos de acceso abierto. Un centro científico actuaría como amplificador de la innovación en la investigación, analizaría los datos, proporcionaría asistencia a los científicos y científicas, además de formarlos y permitir la interacción de la comunidad en general. 

Establecer un Centro de Ciencias LISA de EE. UU. mucho antes del lanzamiento de la misión tendría un impacto benéfico para la participación de la comunidad astronómica en general, al brindar capacitación, organizar talleres temáticos, difundir catálogos simulados, proyectos de software y documentación. En principio, una persona con acceso a los datos que generará LISA requerirá de un amplio conocimiento del instrumento, dominio de la astrofísica y experiencia significativa en el análisis de datos, para poder extraer resultados científicos. 

La siguiente década será muy interesante para la comunidad científica. Necesitamos trabajar y aprender como comunidad para poder aprovechar esta gran oportunidad y escuchar, en otras ondas gravitacionales, nuestro Universo.