Las ondas gravitacionales son ondulaciones en el propio tejido del espacio-tiempo, producidas por el movimiento violento de objetos extremadamente masivos, como la fusión de agujeros negros o estrellas de neutrones. Pueden imaginarse como las ondas que se propagan en un estanque después de lanzar una piedra, salvo que aquí la “piedra” es una colisión cósmica y el “estanque” es el propio universo. Estas ondas viajan a la velocidad de la luz, estirando y comprimiendo el espacio de manera imperceptible a su paso.
Esa debilidad hace que las ondas gravitacionales sean extremadamente difíciles de detectar: cuando llegan a la tierra, el efecto que producen es menor que el tamaño de un átomo. Sin embargo, detectarlas abre una ventana completamente nueva para explorar el universo, permitiendo observar fenómenos que la luz por sí sola no puede revelar, como fusiones de agujeros negros o incluso ecos de los primeros instantes después del Big Bang.
Carlos Sopuerta, investigador del Instituto de Ciencias del Espacio (ICE-CSIC), explica: “comparada con otras interacciones, como el electromagnetismo, la gravedad es muy débil. Es una fuerza que afecta muy poco a los objetos, y por eso se necesita mucha masa y mucha energía, típicamente objetos extremos del universo como las colisiones de agujeros negros, para producir ondas gravitacionales”.
Los detectores terrestres, como los observatorios LIGO y Virgo, han sido revolucionarios, pero se enfrentan a limitaciones fundamentales. En la Tierra, incluso las perturbaciones más pequeñas, como terremotos, olas marinas o el tráfico, generan vibraciones que hacen imposible medir ciertas ondas gravitacionales. Como señala Sopuerta, “diferentes objetos en el espacio producen ondas gravitacionales de distintas escalas temporales, desde milisegundos hasta miles de millones de años. Algunas de esas ondas solo pueden observarse desde el espacio”.
Estos observatorios terrestres solo son sensibles a señales de alta frecuencia, producidas por sistemas pequeños como agujeros negros estelares o estrellas de neutrones. Pero el universo está lleno de otros eventos que generan ondas gravitacionales de baja frecuencia. Estas señales son demasiado largas y sutiles para ser detectadas desde la tierra, porque los brazos de los detectores terrestres tienen solo unos pocos kilómetros de longitud. Para captarlas necesitamos detectores con “brazos” mucho más largos, algo solo posible en el espacio. “En la Tierra no podemos detectar estas ondas largas , explica Sopuerta, porque los detectores son demasiado pequeños. Por eso necesitamos ir al espacio”.
Cómo funciona LISA: un triángulo gigante en el espacio
Por eso la Agencia Espacial Europea (ESA) está preparando LISA, la Laser Interferometer Space Antenna. Prevista para su lanzamiento en la década de 2030, será el primer observatorio espacial dedicado a las ondas gravitacionales. Libre del ruido terrestre y con brazos de millones de kilómetros de longitud, será sensible a una gama completamente nueva de señales.
LISA estará formada por tres naves espaciales que volarán en formación triangular, separadas por 2,5 millones de kilómetros. Juntas formarán el mayor instrumento científico jamás construido, orbitando alrededor del Sol y siguiendo a la Tierra.
Cada nave contendrá dos masas de prueba, pequeños cubos de aleación de oro y platino, que flotarán libremente dentro del satélite, protegidas de todas las fuerzas externas. La nave usará micropropulsores para “flotar” alrededor de los cubos, asegurando que permanezcan en caída libre perfecta. Esta técnica, llamada control libre de arrastre, permite que las masas actúen como puntos de referencia ideales en el espacio.
En la tierra, los brazos de detectores como LIGO tienen 4 kilómetros. “Tienen que ser tan largos para amplificar el efecto lo máximo posible Sopuerta, “porque las variaciones son del orden casi del núcleo atómico”. En el espacio, donde los brazos pueden extenderse millones de kilómetros, la sensibilidad será aún mayor, abriendo el acceso a señales de baja frecuencia que los observatorios terrestres no pueden medir.
Cubos dorados para LISA
Los satélites estarán conectados por haces láser que viajarán de un lado a otro a lo largo de los brazos de 2,5 millones de kilómetros. Comparando el tiempo de viaje de los láseres en cada brazo, los científicos podrán detectar cambios minúsculos en la distancia causados por el paso de una onda gravitacional. Como señala Sopuerta: “estos detectores tienen forma de L, con dos brazos perpendiculares. Cuando pasa una onda gravitacional, afecta de forma distinta a cada brazo. Si ves una diferencia entre ellos, así es como se detectan las ondas gravitacionales”.
La historia de las ondas gravitacionales comienza con la teoría general de la relatividad de Albert Einstein, publicada en 1915. Esta teoría revolucionaria redefinió la gravedad, no como una fuerza misteriosa que atrae los objetos, sino como la curvatura del espacio-tiempo causada por la masa y la energía. Según las ecuaciones de Einstein, los cuerpos masivos como estrellas o planetas deforman el tejido del universo a su alrededor, y mover esos cuerpos de manera extrema, como dos agujeros negros orbitando entre sí, debería enviar ondulaciones a través del espacio-tiempo.
El propio Einstein predijo la existencia de estas ondulaciones, u ondas gravitacionales, en 1916. Como recuerda Sopuerta, uno de los principales investigadores de la misión LISA: “al principio había dudas sobre si esto era real o no, porque la teoría es compleja”. Durante décadas, los físicos debatieron si las ondas gravitacionales eran un fenómeno físico real o solo un artificio matemático. “Cuando se concluyó que eran reales,” añade Sopuerta, “la principal dificultad era que la interacción gravitatoria es muy débil”.
Hizo falta casi un siglo de progreso tecnológico y perseverancia científica para confirmar la predicción de Einstein. Pero una vez detectadas las primeras ondas gravitacionales, no solo se validó su teoría, sino que también se abrió un campo completamente nuevo de la astronomía, permitiéndonos estudiar el universo de formas que el propio Einstein solo podía imaginar.
Lanzada en 2015, el mismo año en que se detectaron las ondas gravitacionales, LISA Pathfinder fue una misión pionera de la ESA diseñada para validar la tecnología que más tarde requeriría el observatorio LISA. Mientras LISA usará tres naves espaciales separadas por millones de kilómetros, LISA Pathfinder concentró lo esencial en un solo satélite.
Dentro llevaba versiones en miniatura de los sistemas clave: masas de prueba en caída libre, control libre de arrastre de la nave y la interferometría láser para registrar minúsculos cambios de posición. El objetivo de LISA Pathfinder no era detectar ondas gravitacionales, sino demostrar que estas técnicas delicadas podían funcionar realmente en el entorno espacial, donde las perturbaciones externas son diferentes a las de la Tierra.
“La precisión que alcanzamos fue mucho mayor de lo esperado, unas 100 veces mejor de lo requerido,” recuerda Sopuerta. “Para cuando terminó la misión en 2017, ya había sentado las bases técnicas para el siguiente gran paso: construir el primer observatorio de ondas gravitacionales en el espacio”.
El grupo de Astronomía Gravitacional - LISA del ICE-CSIC fue clave en el proyecto de LISA Pathfinder, no solo en el análisis de las mediciones del satélite, sino también en el diseño y construcción de componentes críticos: el ordenador a bordo, los sistemas de diagnóstico de estabilidad y sensibilidad, y el software de control que coordinaba todo. Como señala Carlos Sopuerta: “trabajamos mucho en el análisis de los datos y en verificar que la misión funcionaba correctamente. Esa experiencia fue esencial para prepararnos para LISA”.
“Los investigadores del ICE-CSIC realizaron un trabajo fundamental en la misión: desarrollaron el ordenador de a bordo, los sistemas de diagnóstico de estabilidad y sensibilidad, y el software de control de ambos”, explica Miquel Nofrarias, Científico Titular del ICE-CSIC y co-investigador principal del grupo de Astronomía Gravitacional - LISA.
Hoy, el ICE-CSIC sigue desempeñando un papel protagonista. Más allá del diseño de la misión, las simulaciones y las técnicas de procesado de datos, el equipo de Barcelona lidera ahora el Science Diagnostic Subsystem (SDS) de LISA, una de las tres principales contribuciones de hardware de los estados miembros de la ESA. Como recalca Nofrarias: “los sensores del SDS deben alcanzar niveles de precisión y estabilidad sin precedentes en el espacio, para distinguir las fluctuaciones ambientales de las producidas por una onda gravitacional”.
“En el ICE-CSIC también estamos preparando modelos astrofísicos que nos permitirán entender qué tipo de fuentes observaremos y cómo distinguirlas entre sí”, añade Sopuerta.
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Biel Bonastre, Ana Pérez y Miquel Nofrarias
Ana Pérez
La órbita de LISA alrededor de la Tierra
Concepto de LISA
![[digital project] image of interface on a laptop screen](images/CARLOS_SOPUERTA_ICE-8.jpg)