La astronomía de ondas gravitatorias aún está en pañales. Hace apenas 8 años de la primera detección de este tipo de ondas, aunque su existencia fuera predicha por Einstein 100 años antes. De la misma forma que el telescopio y la observación astronómica han evolucionado desde la invención de este artilugio y desde las primeras observaciones astronómicas de Galileo Galilei, hace más de cuatro siglos, podríamos esperar que el estudio de las ondas gravitatorias viviera una evolución análoga. Habrá diferencias, por supuesto, pues el observatorio de ondas gravitatorias más simple requiere de túneles de kilómetros de longitud, de láser superpotentes y de precisiones femtométricas. Pero aunque el avance pueda ser más lento por la complejidad de la tecnología necesaria, lo importante es que se mantenga.
LISA
Ese avance se está gestando ya en laboratorios, despachos y sobre el terreno, pues ya se están construyendo o planificando los detectores de ondas gravitatorias del futuro, los llamados detectores de tercera generación. Uno de los más anticipados y cuyo desarrollo ya ha empezado es el observatorio espacial LISA (Laser Interferometer Space Antenna). Este sería el primer observatorio espacial dedicado a las ondas gravitacionales, utilizando la interferometría láser. LISA consistiría en tres sondas espaciales dispuestas en un triángulo equilátero con lados de 2.5 millones de kilómetros en una órbita heliocéntrica similar a la de la Tierra, pero con unos grados de retraso. LISA sería capaz de percibir las diminutas deformaciones en el espacio-tiempo provocadas por las ondas gravitatorias monitorizando constantemente la distancia entre las sondas. Esto requeriría sincronizar perfectamente las órbitas de las tres sondas con un nivel de precisión que no se ha intentado hasta la fecha.
El proyecto LISA comenzó como un esfuerzo conjunto entre la NASA y la Agencia Espacial Europea (ESA), pero la NASA tuvo que retirarse en 2011 debido a limitaciones presupuestarias. A pesar de esto, el proyecto continúa y es reconocido como un experimento del CERN. Tras redefinir su diseño, la ESA incluyó a LISA como parte de su iniciativa a largo plazo 'El Universo Gravitacional', comprometiéndose a lanzar este observatorio espacial de ondas gravitacionales en la década de 2030. LISA fue aprobada como misión candidata en 2017 y es una de las principales misiones de investigación de la ESA para esa década.
LISA está diseñada para observar directamente las perturbaciones del espacio-tiempo provocadas por las ondas gravitatorias. Su lanzamiento permitirá a los científicos estudiar fenómenos del universo que son imposibles (o casi) de detectar mediante la astronomía convencional, la que usa luz para estudiar el cosmos, como la fusión de agujeros negros supermasivos en el centro de las galaxias, objetos compactos en órbitas alrededor de estos agujeros, estrellas binarias compactas en nuestra galaxia y posiblemente otros fenómenos de origen cosmológico o fenómenos astrofísicos aún por descubrir.
Cosmic Explorer
El observatorio Cosmic Explorer es una propuesta estadounidense de observatorio de tercera generación. Siguiendo el diseño en forma de L de los detectores LIGO actuales, Cosmic Explorer planea extender la longitud de sus brazos hasta los 40 kilómetros, diez veces más que los de LIGO. Esta expansión aumentaría enormemente su sensibilidad, permitiendo observar las fusiones de los primeros agujeros negros en el universo. Esto marca una gran mejora en comparación con LIGO, cuya capacidad de detección se limita a eventos de 1 500 millones de años de antigüedad.
Para avanzar hacia la construcción de Cosmic Explorer, en 2019, el equipo detrás del proyecto publicó un estudio detallando la investigación necesaria durante la década de 2020. Este estudio tenía como objetivo cubrir los avances tecnológicos y los desarrollos científicos requeridos para poder hacer del observatorio una realidad. Posteriormente, en 2021, se lanzó un estudio que presentaba una visión integral para el observatorio, desarrollando un diseño de referencia y proporcionando una estimación de costos.
Einstein Telescope
Los detectores Virgo y LIGO, responsables de las primeras observaciones de ondas gravitatorias y de la mayoría de descubrimientos importantes en este cargo tienen limitaciones inherentes a su diseño. Actualmente se encuentran en la fase “avanzada”, que pretende llevarlos hasta su máxima capacidad mejorando los sistemas tecnológicos que los hacen funcionar. Con estas mejoras serán capaces de detectar eventos incluso más sutiles que la colisión de estrellas de neutrones al otro lado del universo.
Sin embargo hay otras consideraciones, como el ruido sísmico provocado por los movimientos del interior de la Tierra o el provocado por las perturbaciones provocadas por la actividad humana que no se pueden eliminar con mejores láseres. Para superar estas limitaciones es necesario construir nuevos observatorios, que intenten minimizarlas desde su concepción.
El proyecto, que todavía está en una fase temprana de estudio de diseño, ya tiene definidos sus parámetros básicos. Al igual que KAGRA, estará ubicado bajo tierra para reducir el ruido sísmico y el ruido por gradiente gravitacional, el causado por el movimiento de objetos cercanos. Los brazos del interferómetro serán de 10 kilómetros de largo (comparados con los 4 kilómetros de LIGO y los 3 kilómetros de Virgo y KAGRA). Siguiendo el concepto de LISA, tendrá tres brazos dispuestos en un triángulo equilátero, con dos detectores en cada esquina.
El ETpathfinder, un prototipo para hacer pruebas del Telescopio Einstein, se construyó en la Universidad de Maastricht y fue inaugurado en noviembre de 2021. Esta instalación, liderada por el profesor Stefan Hild, servirá como centro de investigación después de que se construya el Telescopio Einstein (ET). Las dos ubicaciones principales propuestas para el ET son la región Meuse-Rin y Cerdeña.
La región Meuse-Rin, entre Maastricht (Países Bajos), Lieja (Bélgica) y Aquisgrán (Aachen, Alemania), ofrece un terreno estable y un entorno colaborativo con empresas de alta tecnología y una buena calidad de vida. El gobierno holandés ya ha asignado fondos para los trabajos preparatorios y ha reservado una cantidad significativa para la construcción, con estudios de factibilidad en cooperación con Bélgica y Alemania. Por otro lado, Cerdeña ha sido seleccionada por su baja actividad sísmica y las características estables de su terreno subterráneo, incluida una antigua mina. La construcción en esta región tendría un gran impacto económico y laboral, con un volumen de negocio inducido significativo. Recientemente, Italia ha confirmado su apoyo a la candidatura de Sos Enattos en Cerdeña, con un compromiso económico substancial por parte de la región. Las evaluaciones sismológicas ya se han llevado a cabo con éxito para validar el sitio.
Referencias:
- Armano, M.; et al. (2016). "Sub-Femto-g Free Fall for Space-Based Gravitational Wave Observatories: LISA Pathfinder Results". Phys. Rev. Lett. 116 (23) doi:10.1103/PhysRevLett.116.231101
- Reitze, David et al. (2019) "Cosmic Explorer: The U.S. Contribution to Gravitational-Wave Astronomy beyond LIGO". Bulletin of the American Astronomical Society. 51 (7): 35. arXiv:1907.04833
- ET Science Team (June 28, 2011). Einstein gravitational wave telescope conceptual design study (Report). ET-0106C-10
