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En busca del sonido del universo que predijo Einstein

La misión espacial 'LISA Pathfinder', que se lanza en dos semanas, prueba la tecnología necesaria para demostrar uno de los pilares de la relatividad

La sonda Lisa Pathfinder, en el centro, junto a la cápsula del cohete Vega en la que se lanzará al espacio desde Guayana Francesa

Hace casi un siglo, Albert Einstein predijo la existencia de ondas gravitacionales, una consecuencia fundamental de la relatividad que no se ha logrado confirmar desde entonces. El próximo 2 de diciembre, la Agencia Espacial Europea (ESA) lanza la misión LISA Pathfinder con el objetivo de probar la tecnología necesaria para atraparlas por primera vez y, de paso, poner a prueba las teorías de Einstein como nunca se hizo antes.

La Teoría General de la Relatividad predice que la aceleración de grandes masas en el universo libera energía en forma de ondas que curvan el espacio-tiempo. Estas ondas moverían todos los objetos que encuentran a su paso como si fuesen boyas en el mar. Los cuerpos con mayor gravedad del universo, como dos agujeros negros que orbitan juntos hasta fusionarse, deberían generar distorsiones tan violentas que deberían poder detectarse en la Tierra. Captarlas sería como ganar un sentido más para percibir el cosmos más allá de la radiación electromagnética (luz, infrarrojos, rayos X…) que domina la astronomía actual.

“Hasta ahora solo hemos visto el universo y ahora podremos escucharlo por primera vez gracias a las ondas gravitacionales”, explica Carlos Sopuerta, investigador del Instituto de Ciencias del Espacio (IEEC-CSIC), en Barcelona. Sopuerta dirige un equipo científico de 10 personas que participa en la misión junto a otros grupos de Alemania, Reino Unido, Italia, Francia, Suiza y Países Bajos.

Tecnología española

El nombre de LISA responde a las siglas en inglés de Antena Espacial  de Interferómetría Láser. La Pathfinder es una misión previa de demostración tecnológica. Tiene previsto despegar a bordo de un cohete Vega el próximo 2 de diciembre a las 5:15 de la mañana, hora peninsular española. Tras el lanzamiento desde el puerto espacial de la ESA en Guayana Francesa, la misión llegará a su destino en enero. Los experimentos comenzarán un mes después, cuando se liberarán las dos cargas y comenzarán las pruebas tecnológicas. Se espera que estas concluyan en septiembre, aunque la misión podría ser ampliada hasta el año de duración.

El proyecto ha tenido un coste para la ESA de 430 millones de euros. El grupo de Astronomía Gravitacional-LISA del IEEC-CSIC lleva más de diez años participando en el desarrollo de la misión. Ha sido el encargado de construir el ordenador de a bordo junto con la empresa Sener y de desarrollar todo el software, validado por la multinacional GMV, además de otros dispositivos de control. Otros grupos de la Universidad Politécnica de Cataluña y el Instituto de Física de Altas Energías también han colaborado en la creación de sistemas de prueba ante aumentos de la temperatura y el impacto de astropartículas.

Poner a prueba a Einstein en este campo es un reto tecnológico. Como explica el Instituto Albert Einstein de Hanóver, otra de las instituciones participantes en LISA Pathfinder, si una estrella en una galaxia cercana reventase en una supernova, produciría tanta energía como billones y billones de bombas atómicas. Buena parte se liberaría en forma de ondas gravitacionales, pero esa energía se iría debilitando como una onda expansiva y, al llegar al Sistema Solar, curvaría tan ligeramente el espacio-tiempo que la distancia del Sol a la Tierra solo cambiaría en menos del diámetro de un átomo de hidrógeno.

LISA Pathfinder probará la tecnología necesaria para que una futura misión espacial pueda captar estas vibraciones tan sutiles. El artefacto lleva en su interior una cámara de vacío con dos cubos de oro y platino de casi dos kilos cada uno. Están situados exactamente a 38 centímetros uno de otro y entre ellos circula un haz de luz láser. Si una onda gravitacional atravesase la cámara, el sistema captaría un leve cambio de la distancia relativa entre ambos.

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Representación de las ondas gravitacionales generadas por dos agujeros negros orbitando juntos

Un millón de kilómetros

Hasta ahora, este tipo de radiación solo se ha captado de forma indirecta en estrellas binarias, un trabajo con el que Rusell Hulse y Joseph Taylor ganaron el Nobel de Física en 1993. El Big Bang, la explosión que dio origen al universo hace 13.700 millones de años, también habría generado estas ondas, aunque su detección sigue estando en entredicho. En la actualidad, varios experimentos en Tierra intentan ser los primeros en captar este fenómeno. El sentido de tener además un observatorio espacial es que estas vibraciones tienen rangos, como la luz, y algunos de ellos son imposibles de captar en Tierra, explica Sopuerta.

La tecnología que probará es la más apropiada para captar las emisiones de agujeros negros supermasivos, gigantes gravitatorios violentos y desconocidos que se encuentran en el centro de las galaxias, incluida la nuestra. “Sabemos que las galaxias colisionan varias veces a lo largo de su vida y captar estas ondas nos permitiría trazar la historia de la aparición de los agujeros negros”, resalta Sopuerta. Además, se probarían los límites de la relatividad en los regímenes de gravedad "más extremos".

La misión se desarrollará en el punto de Lagrange 1, a unos 1,5 millones de kilómetros de la Tierra en dirección al Sol. Allí la gravedad de ambos cuerpos queda neutralizada y la nave permanece en “caída libre”. “Esto quiere decir que no hay ninguna fuerza que se aplique sobre la nave”, explica Damien Texier, responsable de las operaciones científicas de LISA Pathfinder desde el centro espacial de la ESA en Villanueva de la Cañada, cerca de Madrid. El sistema puede detectar cambios en la distancia entre las dos pesas a nivel del picómetro, equivalentes “al tamaño de un átomo pequeño”, resalta.

Para asegurarse de que solo se captan los efectos de las ondas gravitacionales, esta misión probará sistemas que contrarrestan el efecto del viento solar, los rayos cósmicos o cualquier otra perturbación interna o externa.

Una vez validadas en esta misión, estas tecnologías serán la base de eLISA, otra misión de la ESA que se lanzaría en 2034 para detectar las ondas gravitacionales. Constaría de tres naves dispuestas en triángulo y separadas al menos por un millón de kilómetros cada una.

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