LISA Pathfinder

LISA Pathfinder

Descarregueu aquesta informació en PDF

LISA_Pathfinder_mission_logo

La missió LISA Pathfinder de l’ESA té com a objectiu provar les tecnologies necessàries per al futur observatori d’ones gravitacionals eLISA. Però per poder detectar aquestes ones cal aconseguir primer controlar masses en caiguda lliure a l’espai, i la complexitat d’aquesta tasca va fer que l’ESA decidís realitzar primer una missió tecnològica, una espècie d’assaig general per comprovar que, efectivament, és viable.

Es tracta d’un desenvolupament tecnològic sense precedents, amb precisions de l’ordre dels picòmetres (la bilionèsima part d’un metre). I bona part d’aquesta tecnologia l’ha desenvolupada el grup d’Astronomia Gravitacional-LISA de l’Institut de Ciències de l’Espai, un centre conjunt de l’Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (IEEC) i el Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), amb seu al campus de la Universitat Autònoma de Barcelona a Bellaterra.

LISA_Pathfinder_Mission_Poster_landscape_625

Les ones gravitacionals, el so secret de l’Univers 

L’evolució de l’astronomia de les últimes dècades va lligada al desenvolupament d’observacions astronòmiques que utilitzen cada vegada més part de l’espectre electromagnètic: des d’ones de radio als més extrems rajgs gamma, incloent la llum visible, la infraroja, la ultraviolada, raigs X, etc. S’ha arribat molt lluny, però encara queden uns quants interrogants per resoldre.

La resposta podria venir d’un camp totalment diferent, encara per explorar, que amaga les claus del naixement i evolució de l’Univers: les ones gravitacionals. És evident que la gravetat és el motor de molts dels processos que tenen lloc a  l’Univers, però bona part de la seva acció és fosca: no emet cap radiació electromagnètica, no la ‘veiem’. Si fins ara ens hem fixat en la llum, l’estudi de les ones gravitacionals permetrà ‘escoltar’ el so de l’Univers. I amb això, s’espera, es desvetllaran els seus secrets.

Imatge: NASA/C. Henze

Imatge: NASA/C. Henze

Cent anys després de la Teoria de la Relativitat

L’existència de les ones gravitacionals va estar predita per Albert Einstein a la Teoria General de la Relativitat, que justament ara fa cent anys de la seva publicació. Les ones gravitacionals són ondulacions en el teixit de l’espai-temps produïdes pels esdeveniments més violents de l’Univers, com ara la fusió de forats negres o l’explosió de supernoves.

Imatge: ESA–C.Carreau

Imatge: ESA–C.Carreau

La teoria indica que les ones gravitacionals han de ser abundants a l’Univers, i que han de transportar informació sobre els fenòmens que les van originar i sobre la natura de la gravetat, amb dades impossibles d’obtenir mitjançant altres eines astronòmiques. Trobar-les ens permet escoltar les ones produïdes pels sistemes binaris d’objectes compactes com forats negres i estels de neutrons, per explosions de supernoves i, probablement, pel mateix Big Bang que va donar lloc a l’inici de l’Univers conegut. És possible que fins i tot es pugui arribar a saber més de l’energia fosca. No hi ha dubte que van a revolucionar moltes àrees de l’astrofísica, la cosmologia i la física fonamental i posarà a prova la Teoria de la Relativitat com mai s’havia fet abans.

La primera detecció de les Ones Gravitacionals

Fins fa poc només teníem proves indirectes de les ones gravitacionals gràcies a les observacions que van fer Russell Hulse i Joseph Taylor a finals dels anys 70 del primer púlsar en un sistema binari, descobriment que els va comportar el premi Nobel de Física l’any 1993. No obstant això, l’11 de febrer d’aquest any, es va anunciar que, el 14 de setembre de 2015 a les 09:50:45 UTC, els dos detectors de l’Observatori d’Ones Gravitacionals d’Inteferometria Làser (LIGO) van observar simultàniament un senyal   transitòri d’ones gravitacionals. Aquesta és la primera detecció directa d’ones gravitacionals i marca el començament de l’Astronomia d’Ones Gravitacionals. D’altra banda, aquest senyal prové de la fusió de dos forats negres, i constitueix la primera evidència que tenim d’un sistema binari de dos forats negres: Un exemple del potencial científic d’aquesta nova àrea de l’Astronomia.

Esperem que LIGO i altres detectors terrestres com Virgo seguiran fent grans descobriments mitjançant la detecció d’ones gravitacionals. No obstant això, des de la Terra és impossible accedir a les ones gravitacionals que emeten els forats negres supermassius, sistemes binaris ultracompactos i altres fonts que permetrien un programa científic sense precedents. Per tant, el proper pas és mirar d’observar-les des de l’espai, per a la qual cosa es requereix una tecnologia sense precedents i de precisió extrema. I això és el que farà exactament LISA Pathfinder.

LISA Pathfinder, l’experiment de la quietud absoluta

Per detectar les ones gravitacionals cal mesurar la distància entre dos cossos en caiguda lliure amb una precisió altíssima, sense cap altra pertorbació que alteri les seves posicions. D’aquesta manera, si una ona gravitacional passa entre ells dos, afectarà la seva separació i es podrà detectar.

Aconseguir les condicions quasi perfectes de caiguda lliure és força complex: cal contrarestar tota la resta de forces, des de la pressió que causa la radiació solar als efectes de temperatura o forces magnètiques del propi satèl·lit. Per això l’ESA va decidir fer primer una missió de prova tecnològica, abans de desplegar un observatori d’ones gravitacionals. LISA Pathfinder és doncs un banc de proves on s’ha desenvolupat i es validarà la tecnologia que més endavant s’usarà en aquest futur observatori.

LISA Pathfinder inclou dues masses de prova idèntiques que suraran lliurement dins dos contenidors al buit. Aquestes masses de prova tenen forma de cub de 46 mil·límetres de costat. Estan fetes d’un aliatge d’or i platí (73% d’or i 27% de platí) i pesen 1,96 kg cadascuna. Durant el llançament i la posada en òrbita aniran subjectes, i s’alliberaran per passar a flotar en el buit ja en un entorn totalment controlat. Aquesta és, sens dubte, la part més sensible de la missió.

Masses de prova Imatge: ESA

Masses de prova
Imatge: ESA

Un cop alliberades, les masses de prova estaran a una distància de 38 centímetres. Un interferòmetre làser mesurarà contínuament la posició i orientació d’aquests dos cossos amb una precisió de 10 picòmetres (la bilionèsima part d’un metre, 10-12 m). El més complicat serà mantenir les condicions de caiguda lliure. L’ordinador principal de l’experiment rebrà la informació de tots els sensors i mantindrà la posició relativa del satèl·lit perquè no afecti les masses de prova, amb diverses maniobres minúscules de reposicionament cada segon. Cal tenir en compte que la força equivalent al pes d’un bacteri sobre una de les masses de prova desequilibraria tot l’experiment.

Conjunt de tecnologia de LISA Pathfinder Imatge: ESA/ATG medialab

Conjunt de tecnologia de LISA Pathfinder
Imatge: ESA/ATG medialab

Vista esquemàtica de LISA Pathfinder Imatge: ESA/ATG medialab

Vista esquemàtica de LISA Pathfinder
Imatge: ESA/ATG medialab

L’èxit de LISA Pathfinder permetrà replicar aquestes condicions a una escala molt més gran. De fet l’Agència Espacial Europea ja ha aprovat que la tercera missió de classe gran, la missió L3, es dedicarà a un observatori espacial d’ones gravitacionals. Aquest observatori seguirà el concepte de LISA (Antena Espacial d’Ones Gravitacionals, Laser Interferometer Space Antenna en anglès), d’aquí el nom de LISA Pathfinder.  Aquest observatori també mesurarà amb altíssima precisió la distància entre parells de masses, però ara aquestes masses estaran en tres naus espacials diferents separades per més d’un milió de quilòmetres. És amb aquestes distàncies que es podran arribar a detectar les ones gravitacionals provinents dels fenòmens més interessants a l’Univers.

El paper de l’Institut de Ciències de l’Espai (IEEC-CSIC)

El grup d’Astronomia Gravitacional-LISA de l’Institut de Ciències de l’Espai (centre conjunt de l’IEEC i el CSIC) ha tingut un paper molt destacat en el desenvolupament de la missió LISA Pathfinder. Aquest grup ha dissenyat i construït la Unitat de Gestió de Dades (DMU), l’ordinador a bord que controla els experiments científics de LISA Pathfinder. Per a la construcció de la DMU han col·laborat els investigadors de l’institut i l’empresa SENER. L’institut també s’ha encarregat de la programació: tot el software de la DMU, tant el sistema operatiu com el software d’aplicacions científiques. L’empresa GMV ha participat en la verificació d’aquest software.

Data Management Unit (DMU), l’ordinador a bord dissenyat a l’Institut de Ciències de l’Espai (IEEC-CSIC)  Imatge: ESA

Data Management Unit (DMU), l’ordinador a bord dissenyat a l’Institut de Ciències de l’Espai (IEEC-CSIC)
Imatge: ESA

A més, l’ICE (IEEC-CSIC) ha estat responsable del subsistema de diagnòstics, un conjunt d’actuadors i sensors d’alta sensibilitat i precisió per al control tèrmic i magnètic, i un monitor de radiació de partícules còsmiques ionitzades. També s’ha encarregat del desenvolupament de tota l’electrònica associada amb el subsistema de diagnòstics que permetrà mesurar amb una precisió sense precedents. Finalment, el grup d’Astronomia Gravitacional-LISA ha tingut una participació molt important en el desenvolupament de les eines d’anàlisi científica que es faran servir en el processat de les dades, així com en el disseny dels experiments que es portaran a terme a LISA Pathfinder.

El subsistema de diagnòstic tèrmic, en el qual ha col·laborat el Grup de Recerca en Ciències i Tecnologies de l’Espai de la Universitat Politècnica de Catalunya (IEEC-UPC), és un conjunt de sensors i actuadors que permeten mesurar i aplicar calor per analitzar els efectes de la temperatura sobre les masses en caiguda lliure amb molta precisió. D’una manera semblant, el subsistema de diagnòstic magnètic estudia les forces magnètiques.

El monitor de radiació, en el qual ha participat l’Institut de Física d’Altes Energies (IFAE) de la Universitat Autònoma de Barcelona, és un comptador de partícules que estima la càrrega que arriba i s’acumula a les masses de prova.

Tot plegat permetrà demostrar i calibrar quines són les contribucions de soroll que fan que les masses es desviïn de seguir un trajectòria geodèsica pura. És a dir, la caiguda lliure sense interferències.

La participació de l’ICE (IEEC-CSIC) en la missió LISA Pathfinder va començar fa més d’una dècada i actualment ocupa una desena d’investigadors, amb Carlos F. Sopuerta com a investigador principal actual d’aquest grup. L’impuls inicial va tenir lloc l’any 2004 de la mà del professor Alberto Lobo, qui va liderar el projecte fins la seva mort l’any 2012. En reconeixement a la seva tasca, l’Agència Espacial Europea va decidir incorporar una placa amb el seu nom al satèl·lit que ara es llançarà a l’espai.

Membres del grup d'Astronomia Gravitacional-LISA de l’Institut de Ciències de l’Espai (IEEC-CSIC)

Membres del grup d’Astronomia Gravitacional-LISA de l’Institut de Ciències de l’Espai (IEEC-CSIC)

Carlos F. Sopuerta, investigador principal del grup d'Astronomia Gravitacional-LISA de l’ICE (IEEC-CSIC) en la missió LISA Pathfinder, i César García Marirrodriga, Project Magager de la missió a ESA.  A les instal·lacions de IABG, a Alemanya, on es va acabar de fer la integració de LISA Pathfinder i es va entregar.

Carlos F. Sopuerta, investigador principal del grup d’Astronomia Gravitacional-LISA de l’ICE (IEEC-CSIC) en la missió LISA Pathfinder, i César García Marirrodriga, Project Magager de la missió a ESA. A les instal·lacions de IABG, a Alemanya, on es va acabar de fer la integració de LISA Pathfinder i es va entregar.

Col·laboració internacional

LISA Pathfinder és una missió de l’Agència Espacial Europea (ESA), i ha comptat també amb una petita participació de la NASA.

La càrrega científica ha estat desenvolupada per un consorci de set països: Alemanya, Regne Unit, Itàlia, Espanya, França, Suïssa i Països Baixos. El grup d’Astronomia Gravitacional-LISA de l’Institut de Ciències de l’Espai (IEEC-CSIC) és el responsable de la contribució espanyola.

Llançament i calendari

La càrrega científica es va integrar al satèl·lit a principis d’estiu de 2015. Al setembre  de 2015 es va traslladar tot el conjunt al port espacial que l’Agència Espacial Europea té a Kourou (Guaiana francesa). Des d’allà es va llançar la matinada del 2 de desembre de 2015 a les 5:04 (hora europea continental), rumb al punt L1 de Lagrange, a 1,5 milions de quilòmetres de la Terra en direcció al Sol, on va arribar a mitjans de gener de 2016. Aquesta ubicació garanteix l’energia solar necessària per al funcionament del satèl·lit i manté una distància quasi constant per comunicar-se amb la Terra. I, sobretot, és un lloc tranquil de l’espai, allunyat de qualsevol cos massiu que pogués afectar el satèl·lit i l’experiment.

Impressió artística del llançament Imatge: ESA/ATG medialab

Impressió artística del llançament
Imatge: ESA/ATG medialab

Del llançament fins al punt L1 de Lagrange Imatge: ESA/ATG medialab

Del llançament fins al punt L1 de Lagrange
Imatge: ESA/ATG medialab

Un mes més tard, a mitjans de febrer, es van alliberar amb èxit les masses de prova, un dels moments més crucials de la missió. Els investigadors han començat a realitzar els experiments programats des de l’1 de Mars, fins al mes de setembre de 2016.

Durant els mesos d’experiments científics, LISA Pathfinder enviarà la informació diàriament a través de l’antena parabòlica de 35 metres de diàmetre que l’Agència Espacial Europea té a Cebreros (província d’Àvila), des d’on es transmetrà al centre d’operacions de la missió (ESOC) a Darmstadt (Alemanya).  El grup d’Astronomia Gravitacional-LISA compta amb un centre de control per la missió LISA Pathfinder a l’edifici de l’Institut de Ciències de l’Espai (IEEC-CSIC) al campus de la UAB a Bellaterra.

LISA, l’experiment del futur

L’èxit de LISA Pathfinder serà un pas decisiu que portarà al desenvolupament d’un observatori d’ones gravitacionals a l’espai. Es preveu que l’Agència Espacial Europea començarà les activitats tecnològiques en aquesta direcció al mateix any 2016. S’estima que el llançament de la missió tindrà lloc cap a la decada de 2030. Aquest observatori espacial, segons ha recomanat recentment el comitè GOAT (sigles de Gravitational Observatory Advisory Team) de l’ESA, es basarà en el concepte de la missió LISA/eLISA que ha sigut estudiat durant més de dues dècades.  El grup d’Astronomia Gravitacional-LISA de l’ICE (IEEC-CSIC) està molt ben posicionat per participar-hi de manera important, ja que ha pres part en totes les activitats que han dut a l’acceptació d’un observatori espacial d’ones gravitacionals a l’espai com a missió de l’ESA.  Aquestes activitats han estat organitzades per el consorci d’eLISA, on el grup d’Astronomia Gravitacional-LISA de l’ICE (IEEC-CSIC) té membres al comitè executiu i als principals grups de treball.