ENTRE LA TIERRA Y LA LUNA: EN BUSCA DEL MENSAJE «INVISIBLE»

La variable distancia entre la Tierra y la Luna se mide actualmente con precisión de 1 centímetro; las ondas gravitacionales comprendidas en ese espacio podrían cambiar nuestra imagen del Universo Primigenio y el Cosmos en que vivimos, pero han estado fuera del alcance de nuestros sistemas de detección hasta ahora. Hasta ahora…


 DIEGO BLAS, investigador del Laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN), del departamento de Física de la Universidad Autónoma de Barcelona y del Instituto de Física de Altas Energías (IFAE). Junto con Alexander Jenkins, del University College de Londres, trabaja en la detección de ondas gravitacionales, por primera vez en el rango del microherzio, según se reflejan en el sistema Tierra-Luna.
Por: DIEGO BLAS, investigador del Departamento de Física de la Universidad Autónoma de Barcelona y del Instituto de Física de Altas Energías (IFAE). También lo fue del Laboratorio Europeo de Física de Partículas CERN). Actualmente, junto con Alexander Jenkins, del University College de Londres, trabaja en la detección de ondas gravitacionales, por primera vez en el rango del microherzio (µHz), según se reflejan en el sistema Tierra-Luna.

Durante millones de años, hemos mirado al Cosmos con asombro, maravillados por la luz proveniente de sus estrellas. A lo largo del siglo XX, la tecnología de detección de luz de muy diversas frecuencias (desde las tenues ondas de radio a los energéticos rayos gamma) abrió esa exploración a prácticamente todo el espectro electromagnético, con la correspondiente detección de objetos astrofísicos, ni siquiera imaginados previamente, así como la capacidad de detectar las señales del fondo de microondas provenientes de unos instantes posteriores al Big Bang, hace 14 mil millones de años. Este enorme progreso tecnológico tuvo la correspondiente contrapartida en Física Fundamental: la formación y evolución de galaxias, estrellas y otras estructuras astrofísicas es un campo prácticamente nacido de estas recientes observaciones y que ha llevado a la Humanidad a entender prácticamente todo el Universo observado.
     A estos hitos del progreso humano se le añadió en 2015 un nuevo mensajero del Cosmos que está revolucionando nuestra comprensión del Universo. El 14 de septiembre de 2015, la humanidad detectó por primera vez ondas gravitacionales (Abbott, B.P. et al. 2016). Estas ondas gravitacionales son perturbaciones de la fuerza gravitacional que se propagan a la velocidad de la luz y se generan cuando colisionan grandes cantidades de masa. La primera detección se trató de una señal emitida hace miles de millones de años por la colisión catastrófica de dos agujeros negros de masa superior al Sol. Son muchos los aspectos fascinantes de esta detección: por ejemplo, si la energía emitida en ese evento pudiera absorberse de manera eficiente, podría evaporar todas las estrellas de la galaxia; aún así, este evento no generó ninguna señal electromagnética. De ese modo, comprendimos por primera vez que existe una cara ‘oculta’ del Universo, invisible a cualquier telescopio y aún así tremendamente energética y fundamental para comprender la evolución de las galaxias y las estrellas que albergan.
     A esta primera detección de la colaboración norteamericana LIGO le siguieron más eventos de colisiones de agujeros negros, hasta que, en 2017 y justo tras conseguir que la contraparte europea Virgo se pusiera en marcha, se detectó la colisión de dos estrellas de neutrones. La gran relevancia de este evento es que se detectaron tanto las ondas gravitacionales como la luz generada en la explosión. De esta manera, se pudo estudiar por primera vez cómo se propagan las ondas gravitacionales con respecto a las ondas de luz, cómo se generan ciertos elementos poco abundantes en el Cosmos (como el oro), así como entender mejor los detalles de la estructura interna de este tipo de estrellas.
     Estos avances obtuvieron rápidamente la mayor distinción académica con el premio Nobel de Física otorgado a científicos de la colaboración LIGO en 2017. Sin embargo, estas detecciones, centradas en frecuencias de 100 Hz (recordemos que las ondas de radio suelen tener frecuencias en torno a un millón de veces más altas) son sólo el principio de una nueva manera de observar el Cosmos y los avances que seguirán en el futuro en este campo están llenos de interrogantes. ¿Qué ocurrirá al abrir la ventana de observación a frecuencias mucho más bajas o mucho más altas? ¿Seremos capaces, al igual que hicimos con la luz, de cubrir el espectro de ondas gravitacionales en todas las frecuencias interesantes? ¿Conseguiremos de esa manera descubrir nuevas señales de eventos hasta ahora desconocidos? En particular, ¿podremos llegar a alcanzar las señales emitidas en el corazón del Big Bang, momentos a los que no podemos acceder con ninguna otra señal? ¿Nos permitirá este conocimiento avanzar en campos como la naturaleza del Universo Primordial, la Física más allá del modelo estándar, o incluso la teoría de la gravedad cuántica? Responder estas preguntas es uno de los grandes retos de la Física, identificado en las hojas de ruta de múltiples agencias de investigación internacionales, véase por ejemplo: https://www.appec.org/roadmap o https://www.nationalacademies.org/our-work/decadal-survey-on-astronomy-and-astrophysics-2020-astro2020.

 

Figura 1. Detección de ondas gravitacionales. a) Detector LIGO; b) Espectro de frecuencias del evento GW150914 en función del tiempo de detección; c) Panorama de detección de ondas gravitacionales de los próximos 15 años. Frecuencia de onda en eje horizontal, intensidad en el vertical. Líneas contínuas: misiones actuales (como Ligo/Virgo, LVK). Líneas discontínuas: propuestas. Nótense los huecos sin observar.
Figura 1. Detección de ondas gravitacionales. a) Detector LIGO; b) Espectro de frecuencias del evento GW150914 en función del tiempo de detección; c) Panorama de detección de ondas gravitacionales de los próximos 15 años. Frecuencia de onda en eje horizontal, intensidad en el vertical. Líneas contínuas: misiones actuales (como Ligo/Virgo, LVK). Líneas discontínuas: propuestas. Nótense los huecos sin observar.

LOS SURFISTAS LO SABEN
A lo largo y ancho del mundo, este reto ha sido abrazado con entusiasmo por numerosos grupos de investigación, así como instituciones como la Agencia Espacial Europea (ESA), la NASA o las Agencias chinas o japonesas. Ejemplos de futuros detectores incluyen la misión LISA, que abrirá la ventana de las ondas gravitacionales en frecuencias de centésimas de Hz, o la colaboración internacional SKA, que completará las búsquedas actuales desarrolladas por radiotelescopios a escalas de nano Hz (PPTA de la Figura 1). Hay una gran diferencia entre estas dos propuestas: mientras la primera busca establecer los observatorios más grandes posibles en el espacio, siguiendo la estela de LIGO, los segundos se basan en aprovechar configuraciones de escala mucho mayor que nos ha brindado la naturaleza. A mayor escala, más alta es la longitud de onda de la onda que se puede detectar, y en consecuencia, menor frecuencia de la onda detectada. Esto se debe al mismo fenómeno que hace que surfistas separados por poca distancia no puedan observar el paso de una ola al estudiar su distancia relativa, mientras que para surfistas separados por distancias del orden de la longitud de onda de la ola, la influencia de esta última en su posición relativa es claramente visible. La escala de detección de SKA es intergaláctica, muy por encima de los 2 millones de kms de LISA, lo que explica que en la Figura 1 se centre en el nanoHz. El reto para rellenar el espacio de frecuencias entre estas dos observaciones, y que nos permitirá tener unos nuevos ojos en el Cosmos, es encontrar configuraciones astrofísicas con tiempos característicos entre esas dos escalas y que sean detectados con suficiente precisión como para ser sensibles a los sutiles efectos de las ondas gravitacionales.

ESPEJOS EN LA LUNA Y FAROS EN EL COSMOS
La llegada del ser humano a la Luna además de alimentar la imaginación global, propició un gran desarrollo tecnológico. Menos conocida es su gran influencia en ciencia fundamental. De gran relevancia en este aspecto son las superficies reflectoras (espejos) depositadas en la superficie por las misiones Apollo y Lunokhod que nos han permitido monitorizar su posición con respecto de la Tierra con gran precisión. Por ejemplo, el parámetro orbital correspondiente a la distancia Tierra-Luna se puede medir (y predecir) con mms de precisión, Murphy, T. W 2013 (recordemos que la Luna está a unos 400.000 kms de la Tierra). Estas observaciones se basan en la monitorización continua de la posición de nuestro satélite mediante potentes láseres que, emitidos desde diferentes puntos del planeta, rebotan en dichos reflectores, para volver a la Tierra donde son detectados. Las ondas gravitacionales afectan los movimientos gravitatorios, entre ellos los relativos al sistema Tierra-Luna. Dado que el periodo de la Luna es de aproximadamente un mes, la gran precisión a la que actualmente monitorizamos la Luna puede a priori servirnos para detector señales en la banda del microHercio (µHz= 10-6 Hz), ya que estas ondas gravitacionales tienen exactamente la frecuencia adecuada para modificar la órbita de la luna de manera eficiente. ¿Es esto posible? ¿Llenaría este fenómeno el vacío entre los nHz de SKA y los mHz de LISA (ver Figura 1)
     Otro sistema donde la Naturaleza se ha mostrado generosa con la Física fundamental son los púlsares binarios. Éstas son configuraciones donde un púlsar (estrellas de neutrones muy compactas que rotan a gran velocidad) y otro objeto astrofísico orbitan en el medio del Cosmos. La razón por la que son tan preciados en Astrofísica es que los púlsares emiten ondas de radio a lo largo de un eje. Estas estrellas son, pues, auténticos faros dispuestos a lo largo del Cosmos. Dado que el eje de emisión y de rotación no están alineados (ver Figura 2) cada giro se corresponde a un pico de radiación detectada en nuestros telescopios. De esta manera, al monitorizar la llegada de las ondas de radio de los púlsares, podemos estudiar su rotación, así como su translación (por ejemplo, si se mueve hacia nosotros, en cuyo caso habría un efecto Doppler de la señal). Gracias a estas señales (cuyo estudio ha recibido ya dos premios Nobel, 1974 y 1993) podemos entender con gran precisión cómo orbitan estos astros, con periodos del orden de días. Nuevamente, uno puede preguntarse si estos movimientos orbitales pueden ser sensibles a variaciones de la gravedad correspondientes a ondas gravitacionales en escalas de frecuencias correspondientes (nuevamente cerca de 10-6 Hz).

Figura 2. Nuevas técnicas para acceder a las ondas gravitacionales del µHz. a) Imagen real de monitorización de la Luna con láser. b) Esquema de la estructura de faro de los púlsares: el púlsar gira en torno a un eje que no corresponde a su eje de emisión, lo que permite determinar su posición al medir sus pulsos.

Las previas preguntas han sido respondidas de manera positiva en nuestro reciente trabajo (Blas&Jenkins 2021b, aceptado en PRL). En dicha investigación usamos técnicas matemáticas avanzadas para concluir, de manera indiscutible, que los datos acumulados por 30 años de monitorización de la posición de la luna (Lunar Laser Ranging), de satélites artificiales (Satellite Laser Ranging), así como de púlsares (púlsar timing) suponen la mejor estrategia para buscar ondas gravitacionales en la banda dejada inexplorada entre SKA y LISA. De hecho, el análisis de los datos en estos experimentos a día de hoy supondría ya una mejora en la posible detección de ondas gravitacionales en la banda del µHz sin precedentes (de un plumazo, la sensitividad aumentaría en más de seis órdenes de magnitud en muchas frecuencias, véase Figura 3). Así, sin ningún esfuerzo observacional existe la posibilidad de detectar por primera vez ondas gravitacionales en estas frecuencias.
     Y sin embargo, las previsiones para observaciones futuras (de aquí a 15 años) son todavía más espectaculares. De hecho, tal y como demostramos en Blas&Jenkins 2021a y Blas&Jenkins 2021b, con los datos que tomará SKA, así como las mejoras previstas en la monitorización de la posición de satélites, la ventana del µHz podrá ser cubierta con una sensitividad superior a cualquier otra cota directa o indirecta (2).

EL UNIVERSO PRIMORDIAL Y LAS ONDAS GRAVITACIONALES
Quizás la gran pregunta que se esté haciendo ahora la lectora de este artículo es si existe alguna señal particularmente interesante en esta banda de frecuencias de las ondas gravitacionales. De hecho, es difícil exagerar el posible impacto de detectar señales en esta banda. En primer lugar, mucho antes de la primera época de la que tenemos observaciones (que se corresponde a la formación de los elementos ‘ligeros’ como el hidrógeno o el helio) el Universo Primordial puede haber generado una ingente cantidad de ondas gravitacionales debidas a explosiones o transiciones muy energéticas que moverían grandes cantidades de masa y energía, y por tanto, perturbarían los campos gravitacionales asociados. Estas ondas, en principio, de muy alta frecuencia, han ido evolucionando a longitudes de onda más baja al expandirse el Universo (una de las predicciones de la Relatividad General). Lo verdaderamente interesante de este fenómeno es que muchas teorías que completan nuestro modelo de Física de partículas, y que son imposibles de detectar en los laboratorios de la Tierra, generaron ondas gravitacionales que hoy en días se verían exactamente en el µHz. Como consecuencia, el estudio de los datos de la Luna o de los púlsares binarios podrían abrir una ventana única para entender qué Física hay más allá del modelo estándar de partículas, y así darnos alguna pista sobre algunos de los misterios de este último, como el famoso Problema de la Jerarquía.

     Por otro lado, en nuestro Universo viven monstruosos agujeros negros de más de mil millones de veces la masa del sol, concentrada en los centros galácticos. En muchas ocasiones, estos gigantes se encuentran en sistemas binarios que. al orbitar, deforman el tejido gravitacional a su alrededor, y eventualmente emiten ondas gravitacionales en frecuencias entre el nHz y el µHz. De este modo, los datos de los que hemos hablado también nos permitirían entender cuál es la población de estos colosos. De hecho, hoy en día existe ya una posible detección de estas señales por parte de la colaboración Nanograv Arzoumanian, Z et al 2020, y el poderla confirmar es uno de los grandes frentes abiertos del campo.

Figura 3. Oportunidades de usar la Luna y los púlsares. Se muestra en esta figura qué nueva área (en sombreado) se espera que seamos capaces de cubrir en frecuencias de ondas gravitacionales con los métodos propuestos en Blas & Jenkins 2021a. Compárese con Figura 1. Vemos que se puede acceder a intensidades muy por debajo de las actuales, e incluso futuras (líneas discontínuas). Los picos se corresponden a la monitorización de la Luna y salélites artificiales, mientras que el resto de la región viene del estudio de los púlsares. La línea de puntos es un límite indirecto mencionado en nota (2) al final del artículo.

LAS ONDAS GRAVITACIONALES EN EL µHz: UN RETO Y UNA OPORTUNIDAD
La exploración del espectro de ondas gravitacionales va a ir llenándose de nuevos límites y descubrimientos que nos van a traer información sin precedentes sobre la composición del Universo y su evolución primordial. En particular, aprenderemos sobre sus primeros instantes de los que es imposible obtener ninguna otra señal. A pesar de este gran interés, las técnicas propuestas para los próximos 15 años dejan ventanas en el espectro donde puede estar ocultándose la tan ansiada señal (Figura 1). En particular, en Blas&Jenkins 2021a demostramos cómo muchos procesos físicos (como los relacionados con algunas transiciones de fase primordiales, o la verificación de la señal encontrada en Arzoumanian, Z et al 2020) dejan su huella en la banda del µHz, lejos de la cobertura esperada por los experimentos de dentro de 15 años. La exploración de esta banda de frecuencias supone pues un reto a la vez que una gran oportunidad.

DE LAS ESTIMACIONES A LÍMITES (¡O DETECCIONES!) ROBUSTOS.
Las estimaciones previas, si bien basadas en métodos sólidos, adolecen de un gran problema: no se han aplicado todavía a datos reales. Esto es debido a que el análisis de datos tanto LLR como de la monitorización del movimiento de púlsares se realiza a través de software específico que contiene todas las posibles fuentes de ruido, así como el modelaje de las señales que se buscan. Sólo cuando se incorporen las nuevas señales generadas por ondas gravitacionales a este análisis podremos entender si las señales que buscamos pueden extraerse de manera eficiente de los datos o si, por el contrario, existe algún fenómeno que lo impida. Así, la búsqueda (y posible detección) de ondas gravitacionales en el µHz necesita un paso cuantitativo que puede transformar nuestra comprensión del Universo Primordial en los próximos años. ¿Podremos detectar fondos de ondas gravitacionales en el µHz? ¿Será posible determinar (o poner cotas a) su origen, y aprender más sobre el Universo Primitivo?.

NOTAS:
(1) Esta medida no está exenta de complicaciones. Entre ellas el hecho de que solo una entre 1021 partículas de luz emitidas consigue volver.
(2) Una cuota indirecta particularmente relevante es la debida a la influencia de la densidad de energía de ondas gravitacionales en el universo primordial. Jamás antes se ha superado esta cuota con métodos directos en la banda de interés.

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