LISA, una misión para explorar el universo a través de las ondas gravitacionales

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”.

Imagen del observatorio de ondas gravitacionales LIGO.

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.

Cómo funciona LISA, un triángulo gigante en el espacio

Para ello, la Agencia Espacial Europea (ESA) está preparando LISA (Laser Interferometer Space Antenna). Este observatorio espacial, cuyo lanzamiento está previsto para la década de 2030, será el primero 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 formarán el mayor instrumento científico jamás construido, orbitando alrededor del Sol y siguiendo a la Tierra. A diferencia de lo que ocurre en nuestro planeta, donde los brazos de los detectores se extienden varios kilómetros para detectar variaciones de un tamaño similar al núcleo atómico, en el espacio los brazos pueden extenderse millones de kilómetros, aumentando la sensibilidad para captar señales de baja frecuencia que los observatorios terrestres no pueden medir. En el caso de LISA, los científicos podrán detectar ondas gravitacionales gracias a haces láser que viajarán, de un lado a otro, a lo largo de los brazos de 2,5 millones de kilómetros. “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”, señala Sopuerta.

Una predicción de Einstein hace 100 años

La historia de las ondas gravitacionales comienza con la teoría general de la relatividad de Albert Einstein, 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 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. Durante décadas, los físicos debatieron si las ondas gravitacionales eran un fenómeno físico real o solo un artificio matemático, por lo que hizo falta casi un siglo de progreso tecnológico y perseverancia científica para confirmar la predicción de Einstein. Una vez detectadas las primeras ondas gravitacionales, no solo se validó su teoría, sino que también se abrió un campo en la astronomía que nos permite estudiar el universo de formas que el propio Einstein solo podía imaginar.

Las primeras detecciones

Casi cien años después de la predicción de Einstein, las ondas gravitacionales seguían siendo solo una idea sobre el papel. Los científicos estaban convencidos de que debían existir, pero la tecnología para detectar distorsiones tan diminutas en el espacio-tiempo simplemente no existía. “Necesitamos instrumentos de máxima precisión para detectarlas, que hoy en día son interferómetros láser capaces de alcanzar el nivel de resolución de partículas subatómicas”, destaca Sopuerta.

Carlos Sopuerta, investigador del ICE-CSIC

Ese avance llegó el 14 de septiembre de 2015, cuando el observatorio LIGO en Estados Unidos detectó la señal de la colisión de dos agujeros negros a más de mil millones de años luz de distancia. El descubrimiento no solo confirmó la predicción centenaria de Einstein y supuso el Premio Nobel de Física de 2017 para Rainer Weiss, Kip Thorne y Barry Barish, sino que marcó el nacimiento de las ondas gravitacionales, una nueva forma de escuchar el lado invisible del cosmos, como los agujeros negros, más allá de la luz.

LISA Pathfinder, la misión que abrió el camino

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. Su objetivo no era detectar ondas gravitacionales, sino demostrar que las nuevas técnicas de detección podían funcionar realmente en el entorno espacial, donde las perturbaciones externas son diferentes a las de la Tierra.

“La precisión que alcanzamos fue 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 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. “Los investigadores del ICE-CSIC realizaron un trabajo fundamental: 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 del ICE-CSIC y coinvestigador principal del grupo. Hoy, el ICE-CSIC sigue desempeñando un papel protagonista, pues lidera el Science Diagnostic Subsystem (SDS) de LISA, una de las tres principales contribuciones de hardware de los estados miembros de la ESA. “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”, recalca Nofrarias.

LISA, una realidad en la década de 2030

LISA ya no es solo un concepto, sino que, tras ser adoptada por la ESA en 2024, se convertirá en una realidad en la década de 2030, cuando está previsto su lanzamiento. En la actualidad, la misión está en fase de diseño y desarrollo: “Estamos trabajando en simulaciones y herramientas de análisis de datos para que, cuando lleguen, estemos listos para extraer las señales y entenderlas”, explica Sopuerta.

El observatorio LISA estará formado por tres satélites conectados por haces láser

En esta fase, la colaboración es esencial. La ESA lidera la misión, con la NASA como socio principal, y España desempeña un papel particularmente activo a través del ICE-CSIC, del Instituto de Estudios Espaciales de Cataluña (IEEC) y de otras instituciones como la Universitat de Barcelona, la Universitat Politècnica de Catalunya y el Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial (INTA). Juntos ayudan a dar forma al diseño, las simulaciones y las herramientas de análisis de datos de la misión, asegurando que Europa y España sigan en el corazón de esta empresa científica revolucionaria.

Una ventana a sucesos cósmicos desconocidos

LISA abrirá una ventana completamente nueva al cosmos. Mientras los detectores terrestres como LIGO y Virgo escuchan las notas altas de las ondas gravitacionales de agujeros negros estelares y estrellas de neutrones, LISA estará sintonizada con las señales profundas de baja frecuencia que revelan un lado muy diferente del universo.

Entre sus objetivos principales está detectar las ondas gravitacionales liberadas por las fusiones de agujeros negros supermasivos, gigantes con millones de veces la masa del Sol que habitan en los centros de las galaxias. El observatorio espacial también detectará el murmullo constante de sistemas binarios dentro de nuestra propia galaxia, como parejas de enanas blancas orbitándose entre sí. Incluso, quizás, se podrá captar fuentes que aún no sabemos que existen o detectar ondas fósiles del propio Big Bang. “Puede haber sorpresas, porque estamos abriendo una nueva ventana al universo, concluye Sopuerta.

Los descubrimientos de la misión no solo profundizarán nuestra en comprensión de los agujeros negros, las galaxias y el universo primitivo, sino que también pondrán a prueba la teoría de la relatividad general de Einstein en las condiciones más extremas. Si LISA encuentra desviaciones de las predicciones de la relatividad, podría señalar hacia una nueva física, transformando nuestra comprensión del espacio, el tiempo y la gravedad.

Este reportaje se concibió originalmente como un texto interactivo al que puedes acceder a través de este enlace.

Aitana C. Bonfill / ICE-CSIC Comunicación

comunicacion@csic.es