LISA Pathfinder: los l¨ªmites de la precisi¨®n

Justo un siglo despu¨¦s de que Einstein publicase su teor¨ªa de la relatividad general se prepara el lanzamiento de un peque?o sat¨¦lite para preparar el camino hacia la detecci¨®n de una de sus previsiones: la existencia de ondas gravitacionales.

Nadie ha identificado nunca los efectos de una onda gravitacional. Ser¨ªa el equivalente gravitatorio de los campos electromagn¨¦ticos que se producen como consecuencia del movimiento de cargas el¨¦ctricas. Y si esto suena a ciencia ficci¨®n, basta con echarle una mirada a su televisor o m¨®vil: las ondas que captan o emiten son precisamente eso, campos electromagn¨¦ticos cuidadosamente modulados. Con un detector adecuado -es decir, una simple antena- pueden captarse a grandes distancias.

Las ondas gravitatorias deber¨ªan producirse, igualmente, como resultado de la aceleraci¨®n de cualquier masa. Lo malo es que de las cuatro fuerzas de la naturaleza (gravitatoria, electromagn¨¦tica y las dos nucleares, d¨¦bil y fuerte), la gravitatoria es, con mucho, la m¨¢s d¨¦bil: hace falta toda la masa de un planeta como la Tierra para mantenernos pegados a su superficie. En cambio, para tapar un plato de comida con una hoja de pl¨¢stico transparente del que se emplea en la cocina (que se pega por efecto de su propia electricidad est¨¢tica o sea, por efectos de fuerzas electromagn¨¦ticas) basta una l¨¢mina de polietileno m¨¢s fina que una hoja de papel.

Por eso, las ondas gravitatorias se producen con m¨¢s intensidad cuanto mayores son las masas que entran en juego. Por ejemplo, la explosi¨®n de una supernova, el choque de dos estrellas de neutrones o agujeros negros o incluso -el santo grial de esta especialidad, el propio estallido primigenio del Big Bang.

La primera antena gravitacional se construy¨® en los a?os 60. Era una serie de cilindros conc¨¦ntricos de aluminio, que deb¨ªan vibrar al paso de una perturbaci¨®n de determinadas caracter¨ªsticas. Nunca lleg¨® a detectarla y acab¨® como pieza de museo. Despu¨¦s se han dise?ado muchos otros tipos que van desde las masivas esferas de metal suspendidas en tanques criog¨¦nicos hasta interfer¨®metros cuyos brazos miden varios kil¨®metros de longitud. Un interfer¨®metro es un instrumento que aprovecha interferencias entre rayos de luz para detectar variaciones de longitud tan diminutas como las que implica este tipo de experimentos.

Nadie ha identificado nunca los efectos de una onda gravitacional. Ser¨ªa el equivalente gravitatorio de los campos electromagn¨¦ticos que se producen como consecuencia del movimiento de cargas el¨¦ctricas

El proyecto m¨¢s ambicioso es el programa LISA, que prev¨¦ situar en ¨®rbita alrededor del Sol tres sat¨¦lites que volar¨¢n en formaci¨®n, formando un tri¨¢ngulo equil¨¢tero de cinco millones de kil¨®metros. Estar¨¢n permanentemente conectados entre s¨ª por haces l¨¢ser que permitir¨¢n detectar las peque?¨ªsimas variaciones entre sus distancias, debidas al paso de una eventual onda gravitatoria.

Pero el programa LISA pertenece al futuro. El lanzamiento no est¨¢ previsto hasta el a?o 2030. Lo que se plantea ahora es s¨®lo una prueba de concepto: ver si los mecanismos de LISA posible realmente funcionan. La misi¨®n, apropiadamente, se llama "LISA Pathfinder": el pionero o el precursor de LISA.

El sat¨¦lite es relativamente peque?o.? No llega a un par de metros de di¨¢metro. En su interior lleva un par de recipientes cil¨ªndricos del tama?o de una lata de pi?a. Cada uno contiene un cubo met¨¢licos, concretamente de una aleaci¨®n de oro y platino, de poco m¨¢s de 4 cent¨ªmetros de lado. Durante el lanzamiento, van firmemente sujetos para evitar da?os pero, una vez en ¨®rbita, quedar¨¢n flotando en el centro de sus respectivos contenedores. Es la situaci¨®n que se llama "ca¨ªda libre". En principio, en esa situaci¨®n, la distancia entre ambos deber¨ªa ser invariable mientras no intervengan fuerzas exteriores.

Entre los dos cilindros est¨¢ el interfer¨®metro que mide continuamente la distancia que separa a ambos cubos. Es una placa de cer¨¢mica de apenas un palmo de lado, en la que hay instalados los dos emisores de l¨¢ser y dos docenas de espejos y elementos ¨®pticos. Son espejos muy peque?os, situados en posici¨®n vertical sobre la base, lo cual da al aparato un inquietante aspecto de cementerio cuajado de l¨¢pidas. Uno de los haces de l¨¢ser se hace rebotar contra las caras de ambos cubos mientras que el otro se mantiene confinado en el laberinto ¨®ptico antes de recombinarse con el primero. Al seguir diferentes caminos se interfieren entre s¨ª y crean un cierto patr¨®n de interferencia. Cambios en ese patr¨®n indican que tambi¨¦n ha variado la distancia que ha recorrido uno de los haces de luz, concretamente el que se mov¨ªa entre los dos cubos.

Pero las cosas no son nunca tan sencillas. El sat¨¦lite est¨¢ sujeto a multitud de ¨ªnfimas fuerzas exteriores que podr¨ªan enmascarar el efecto de una perturbaci¨®n gravitatoria. Campos magn¨¦ticos, rayos c¨®smicos, el efecto del viento solar... son factores que en otras misiones podr¨ªan pasarse por alto pero no en ¨¦sta.

Por ejemplo es necesario eliminar todos los vestigios de gas que pudieran quedar en el interior de los dos cilindros una vez abiertos al espacio exterior. Incluso una presi¨®n residual mil millones de veces inferior a la de la atm¨®sfera podr¨ªa dar al traste con el experimento: Las pocas mol¨¦culas de aire remanente, excitadas por peque?as diferencias de temperatura podr¨ªan provocar rotaciones an¨®malas en los cubos. Es el efecto?radi¨®metro, aquel juguete parecido a una bombilla en cuyo interior gira un molinete al exponerlo a la luz.

El peor enemigo que hay que mantener a raya es la simple fuerza que ejerce la propia luz del Sol sobre el sat¨¦lite. Se calcula en algo menos de 20 micronewtons, m¨¢s o menos el peso de un copo de nieve. Casi nada, pero a¨²n as¨ª, demasiado: Es un mill¨®n de veces mayor que el l¨ªmite aceptable en este experimento.

El sat¨¦lite est¨¢ sujeto a multitud de ¨ªnfimas fuerzas exteriores que podr¨ªan enmascarar el efecto de una perturbaci¨®n gravitatoria

La presi¨®n de la luz no afectar¨ªa a los cubos, que flotan en la oscuridad, pero s¨ª al sat¨¦lite como un todo, que se desplazar¨ªa o girar¨ªa liger¨ªsimamente. El interfer¨®metro lo detectar¨ªa justo al rev¨¦s: como un movimiento de los cubos con respecto a la nave. Por lo tanto, no hay m¨¢s remedio que corregir ese diminuto desplazamiento mediante motores de gas a¨²n m¨¢s diminutos. La nave dispone de varios motores que expulsan m¨ªnimas bocanadas de gas hasta diez veces por segundo, con un impulso que puede ajustarse hasta un valor veinte veces menor que el peso del copo de nieve del que hemos hablado antes.

Obviamente, el sat¨¦lite s¨®lo puede centrarse alrededor de uno de los dos cubos, el de referencia. La posici¨®n del otro se ajustar¨¢ mediante campos electrost¨¢ticos para mantener invariable la distancia al primero. "Invariable" quiere decir dentro de un margen de un picometro (una millon¨¦sima de millon¨¦sima de metro), mucho menos que el di¨¢metro de un ¨¢tomo. Porque esa es la precisi¨®n que necesitar¨¢ un detector de ondas gravitatorias si quiere tener alguna probabilidad de detectarlas.

En esencia. lo que pretende este experimento es reproducir a peque?a escala el concepto de los futuros sat¨¦lites LISA: los escasos cuarenta cent¨ªmetros que separan ahora los dos cubos ser¨¢n entonces cinco millones de kil¨®metros. Y los haces de l¨¢ser tardar¨¢n 16 segundos en cubrir esa distancia, lo cual plantear¨¢ nuevos problemas de guiado para mantenerlos enfocados en los tres sat¨¦lites durante todo el tiempo. Pero las tecnolog¨ªas que -presumiblemente- se utilizar¨¢n entonces est¨¢n ya definidas y son las que va a poner a prueba el LISA Pathfinder.

Rafael Clemente es ingeniero industrial y fue el fundador y primer director del Museu de la Ci¨¨ncia de Barcelona (actual CosmoCaixa).