¿Un viaje al espacio exterior? ¡Pon ondas gravitacionales en tu radio!

• Título original: Searching for gravitational waves via Doppler tracking by future missions to Uranus and Neptune
• Autores del artículo: Deniz Soyuer, Lorenz Zwick,  Daniel J. D’Orazio and Prasenjit Saha
• Institución del primer autor: Centro de Astrofísica y Cosmología Teórica, Instituto de Ciencias Computacionales, Universidad de Zurich,  Winterthurerstrasse 190, CH-8057 Zurich, Switzerland
• Estado de la publicación: aceptado a MNRAS; publicado en Arxiv 
• Astrobite original: A Long Drive to Outer Space? Put Gravitational Waves on the Radio! por Sumeet Kulkarni

Crédito de la imagen destacada: Astrobite

Ponte en esta situación. Eres un científico planetario que acaba de lanzar una nueva nave espacial para explorar el sistema solar exterior. Todo lo que tienes que hacer para conseguir datos interesantes de Urano y Neptuno es, bueno, esperar alrededor de una década para llegar a su destino. No te preocupes, los autores de hoy tienen una idea para poder hacer este largo viaje mucho más emocionante: al prender la radio y escuchar a las ondas gravitacionales!

La radio

Las ondas gravitacionales son pequeñas ondulaciones en el espacio-tiempo generadas por el movimiento de cuerpos masivos y compactos como agujeros negros. El pasar de una onda gravitacional provoca fluctuaciones extremadamente pequeñas en la distancia en medio de dos cuerpos libres. La idea de usar una astronave lejana para detectar ondas gravitacionales fue concebida durante los días de las misiones Pioneer y Voyager, hace casi 50 años. Todas las misiones planetarias están en constante contacto con la Tierra a través del Deep Space Network (DSN), una formación de antenas de radio gigantes distribuidas por todo el mundo. La comunicación de radio entre el DSN y misiones en el sistema solar exterior, a través de distancias de 10 unidades astronómicas (A.U), pueden ser usadas como un brazo gigantesco de interferómetros para detectar ondas gravitacionales, similar a los que son basados en la Tierra como LIGO y Virgo.

Mientras que interferómetros comparan desplazamientos relativos a través de dos caminos, un efecto similar se puede dar gracias a cambios en la distancia de una nave espacial. Estos cambios pueden ser detectados a través de su efecto doppler. El DSN utiliza una frecuencia de radio para comunicarse con la nave espacial, la cual puede cambiar de valor si la nave se mueve hacia la Tierra o se aleja de ella. Una onda gravitacional podría afectar a la Tierra y la nave en diferentes momentos y ser detectada como un efecto Doppler en la señal de DSN como dos pulsos correspondientes, con un pulso adicional proviniendo del movimiento de la Tierra el cual es transpondido de regreso a la nave (Figura 2). El pulso reflejado regresa después de exactamente el doble de el tiempo que la luz toma atravesar la distancia entre la Tierra y la nave. El tiempo que la nave siente el pulso depende del ángulo entre la onda gravitacional propagada y la línea de visión hacia la nave.

Como uno puede imaginar, en práctica, es extraordinariamente difícil ver esta señal de tres pulsos porque (i) el desplazamiento actual gracias a ondas gravitacionales es extremadamente pequeño y (ii) la Tierra y la nave no son perfectamente estables en relación del una con la otra. Varios pasos son necesarios para caracterizar el ruido de fondo y detectar cualquier efecto Doppler generado por ondas gravitacionales. Para detectar pequeños cambios Doppler, la frecuencia de radio que es usada para la comunicación necesita ser extremadamente estable. La trayectoria de la nave relativo a la Tierra tiene que ser muy precisa y luego debe de ser restada de la señal. Aun así, las antenas DSN y la nave pueden sufrir errores mecánicos que podrían causar efectos Doppler espurios.

Podríamos mejorar la probabilidad para detectar las ondas gravitacionales si incrementamos el tiempo de observación. Sin embargo, esto también tiene sus dificultades: seguir los efectos Doppler con el nivel deseado de sensibilidad en las comunicaciones de radio no es posible cuando el Sol está en el camino debido al centello del plasma que interfiere con las ondas de radio. De hecho, solamente se puede observar el efecto Doppler cuando la nave está en el lado opuesto al Sol con respecto a la Tierra, es decir, cuando el ángulo Sol-Tierra-Nave es más grande que 150 grados. Esto es posible solamente por un margen de tiempo de 40 días y solo da para de 10 de estas oportunidades en la década que dura el viaje. ¡Imagínate estar en un viaje de 10 horas, pero solo poder poner música por una hora!

La música

¿Qué tipo de onda gravitacional puede ser detectada por una nave espacial? Como la distancia a la nave son varias unidades astronómicas, este método de detección es sensible hacia ondas gravitacionales con longitudes de ondas largas, o con bajas frecuencias en el rango de millihertz. Por contrario, LIGO y Virgo buscan ondas gravitacionales en el rango de diez a miles de hertz, donde los chirps de fusiones binarias involucrando agujeros negros de masas estelares y estrellas de neutrones pueden ser escuchados.

Fuentes que emiten ondas gravitacionales de baja frecuencia incluyen fusiones de agujeros negros supermasivos (SMBH) y una proporción de masa extrema inspiral (EMRI), donde el agujero negro estelar se derrumba a un agujero negro supermasivo. Esta es en la misma banda de frecuencias que el futuro interferómetro espacial para ondas gravitacionales, LISA, va a poder detectar. La Figura 3 muestra la comparación de sensibilidad entre diferentes naves espaciales y LISA para diferentes tipos de fuentes de ondas gravitacionales. Mientras que la dedicada misión de LISA va a poder detectar estas fuentes fácilmente, la posibilidad de poder escuchar ondas gravitacionales a través de comunicación de radio con naves espaciales va a depender de el avance tecnológico para poder manejar los diferentes tipos de ruido que fueron descritos previamente.

Con los avances tecnológicos hechos por las misiones Pioneer y Voyager, vale la pena volver a explorar los extremos de nuestro sistema solar. Varias misiones han sido propuestas para poder estudiar a los gigantes de hielo, Urano y Neptuno, en las siguientes décadas. Mientras que toma un largo tiempo poder lograr sus metas científicas después de su lanzamiento, todavía podemos usarlos para obtener información sobre las ondas gravitacionales como si fuera un pasatiempo y sin costo extra! Adicionalmente, estas naves espaciales complementan perfectamente la detección a baja frecuencia que tiene LISA mientras que viajan a través de las mismas ondas.

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