LISA Pathfinder como detector de polvo cometario

El banco de pruebas de ondas gravitacionales LISA PAthfinder,  replanteado como detector de polvo  cometario.

LISA Pathfinder, una misión liderada por la ESA en colaboración con la Nasa, ha probado satisfactoriamente las tecnologías críticas necesarias para la construcción de observatorios con base en el espacio para la detección de ondas generadas en el tejido del espacio-tiempo, llamadas ondas gravitacionales.

Impresión artística de un exótico sistema binario, consistente en dos remanentes estelares, una enana blanca y un púlsar, orbitándose mutuamente. Los sistemas binarios de objetos compactos y muy densos como enanas blancas, estrellas de neutrones y agujeros negros son susceptibles de ser intensas fuentes de ondas gravitacionales.  En la representación, el sistema binario consta de un objeto muy pequeño, pero muy pesado: una estrella de neutrones que gira a 25 revoluciones por segundo y es orbitada cada dos horas y media por una enana blanca. La estrella de neutrones es un púlsar llamado PSR J0348+0432 que emite ondas de radio que se pueden detectar desde Tierra por los radiotelescopios. Aunque esta inusual pareja es muy interesante de por sí, también debemos tomar conciencia de que es un laboratorio único para poner a prueba los límites de las teorías físicas. El sistema emite radiación gravitacional, ondas en el espacio – tiempo. Aunque este tipo de radiación o de ondas aún no pueden ser detectadas directamente por los astrónomos en Tierra, sí pueden ser detectadas indirectamente midiendo los cambios en las órbitas del sistema conforme este pierde energía. Debido al ínfimo tamaño del púlsar, los tamaños relativos en la imagen no están representados a escala.

Las ondas gravitacionales, son vibraciones en el tejido espacio temporal, ondas de eventos cataclísmicos acontecidos miles de millones de años atrás y que únicamente pueden ser detectadas con instrumentos específicamente diseñados y construidos para ello, situados con base en tierra o en el espacio. Los movimientos de los cuerpos más masivos en el espacio, tales como agujeros negros supermasivos, pueden proporcionar a los astrónomos nuevas formas de escrutar el cosmos que los telescopios comunes nunca desvelarían.

El instrumento con base en tierra llamado LIGO (por Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferometría Láser) hizo sus primeras detecciones de ondas gravitacionales en septiembre de 2015, localizando una señal de la fusión de dos agujeros negros a 1,3 miles de millones de años luz.

Las débiles ondas viajaron a través del espacio a muy baja frecuencia, por lo que el observatorio necesitaría de múltiples detectores extendidos a lo largo de miles o millones de Km para detectarlas. LISA Pathfinder es más pequeña que un coche utilitario, por lo que su tamaño no permitiría detectar las ondas gravitacionales, pero está equipada con sensores similares a los diseñados para equipar a un futuro observatorio con base espacial, que se llamará LISA y que consistirá en tres satélites que volarán en formación alejados unos  5 millones de Kilómetros entre sí.

LISA se dotará de la precisión necesaria que se espera se pueda demostrar con el pequeño satélite LISA Pathfinder. Desde el primer día de la misión científica de LISA Pathfinder, a principios de 2016, el equipo de Tierra pudo confirmar que los instrumentos a bordo de la nave, tales como detectores, láseres, acelerómetros y propulsores cumplían con los requerimientos planteados para el futuro observatorio LISA.

Ahora un equipo de científicos, espera poder aprovechar la sensibilidad de los equipos con los que se ha dotado a este pequeño satélite para poder mapear la distribución del material microscópico de las partículas de polvo que se desprende de asteroides y cometas en los entornos alejados de la Tierra.

Muchas de dichas partículas tienen masas del orden de microgramos, similares a minúsculos granos de arena. Pero con velocidades superiores a 36.000 km/h, incluso los micrometeoroides impactan con dureza. Las nuevas medidas podrían ayudar a refinar los modelos del polvo cometario usados por investigadores en una amplia variedad de estudios, desde la comprensión de la física de la formación planetaria a la estimación del riesgo de impacto para los satélites actuales y futuros e incluso para próximas misiones tripuladas.

El objetivo de la misión principal era testear la precisión de vuelo del satélite en cuyo interior flotan dos cubos idénticos de 46 milímetros de oro-platino. Estos cubos son masas muy precisas planeadas para mantenerse en caída libre y responder exclusivamente a acciones gravitatorias.

El satélite hace las veces de escudo protector de estas masas de precisión ante agentes externos. Cuando LISA Pathfinder reacciona a la presión del viento solar e incluso a la de la luz solar y de los impactos del polvo microscópico, la nave automáticamente compensa con leves micro impulsos de sus propulsores micronewtonianos para impedir que las masas sean disturbadas. La increíble precisión de cada micro maniobra, implica fundamentalmente, que LISA Pathfinder vuela alrededor de los dos cubos ocultos en el interior del satélite.

Los astrónomos pueden medir las ondas gravitacionales con el seguimiento preciso de la distancia entre esas dos masas encapsuladas y aisladas de cualquier influencia del entorno, como la de, por ejemplo, la presión de la luz solar, los impactos de los escombros y del polvo cometario y del tirón gravitacional de otros cuerpos e incluso planetas.

Los científicos están usando LISA Pathfinder, que la ESA considera 10.000 veces más estable que cualquier otro satélite fletado con anterioridad a esta misión, para catalogar los impactos de los más leves granos de polvo cometario y procedente de asteroides que transitan el sistema solar interior.

En respuesta a un impacto, LISA Pathfinder enciende dichos propulsores para contrarrestar los leves impulsos de dichos micro impactos y corregir su incidencia en la trayectoria del satélite. De forma conjunta, dichos desplazamientos permiten a los científicos determinar la localización de los impactos sobre el satélite y reconstruir las trayectorias originales de los micrometeoroides. Esto podría permitir al equipo identificar flujos de restos de partículas y quizá llegar a determinar su relación con asteroides o cometas conocidos.

A máxima potencia, los impulsores de nitrógeno refrigerado instalados en la carcasa del satélite, producen la energía equivalente aproximadamente a la de cuatro mosquitos posados en la superficie del aparato. Un conjunto de propulsores gobernados electrónicamente desde Tierra permiten mantener la nave posicionada con la máxima precisión en escalas del tamaño del diámetro de una hélice de ADN.

En su situación alejada de la Tierra, la sensibilidad a las partículas de masas ínfimas y la capacidad de medir su tamaño y su dirección de impacto, hacen de LISA Pathfinder un instrumento único para el estudio de la población de micrometeoroides en el sistema solar interior. Pero esto es sólo el inicio.

Los granos microscópicos de los flujos de las colas de los cometas y tras el paso de asteroides en su órbita alrededor del sol, producen “nubes” que se mueven en distintas direcciones y a muy variadas velocidades. El volumen de polvo cometario en las proximidades de la órbita de la Tierra, probablemente favorece la presencia de partículas menores y más lentas. En las proximidades de un planeta, debido al tirón gravitacional del mismo, el flujo de micrometeoroides podría ser mucho mayor que lo que ha experimentado LISA Pathfinder, situada a 1,5 millones de Km de la Tierra.

Lisa Pathfinder es una misión de la ESA con aportación de la Nasa. Fue lanzada el 3 de diciembre de 2015 y comenzó a orbitar el punto L1 de Lagrange (a 1,5 millones de Km de la Tierra en dirección al Sol) a fines de Enero de 2016.

LISA (Antena Espacial de Interferometría Láser), un observatorio de ondas gravitacionales situado en el espacio, es el paso previo en la exploración de la misión de la ESA para la investigación cosmológica que prevé lanzar un observatorio de ondas gravitacionales mucho más complejo y completo para 2034. Los científicos han dedicado el último año a refinar y ajustar la sensibilidad de la instrumentación de LISA Pathfinder, superando el rendimiento que se necesitará para el triplete que compondrá LISA, que deberá ser capaz de detectar ondas gravitacionales a frecuencias de cien a mil veces más bajas que las que ha detectado el equipo de LIGO en Tierra.

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