Pau Amaro. Astrofísico

La detección de ondas gravitacionales y las próximas misiones espaciales: LISA y Taiji

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28-01-2018
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Pau Amaro-Seoane es un astrofísico valenciano que estudió Física Teórica en España, para luego doctorarse en Heidelberg en Astrofísica Teórica. Después, se dedicó durante once años, en el Instituto Max Planck de Física Gravitacional, junto con el director, al campo de la Astronomía de las Ondas Gravitacionales. Desde enero de 2016, es científico en el Institut d'Estudis Espacials de Catalunya. El grupo de Ondas Gravitacionales en el que trabaja lidera el esfuerzo de España en la futura misión espacial LISA, un detector de ondas gravitaciones en el espacio. Finalmente, es el coordinador de los aspectos astrofísicos de la misión espacial china Taiji relacionada con la astronomía de ondas gravitacional
 La detección de ondas gravitacionales y las próximas misiones espaciales: LISA y Taiji
Pau Amaro-Seoane es un astrofísico valenciano que estudió Física Teórica en España, para luego doctorarse en Heidelberg en Astrofísica Teórica. Después, se dedicó durante once años, en el Instituto Max Planck de Física Gravitacional, junto con el director, al campo de la Astronomía de las Ondas Gravitacionales. Desde enero de 2016, es científico en el Institut d'Estudis Espacials de Catalunya. El grupo de Ondas Gravitacionales en el que trabaja lidera el esfuerzo de España en la futura misión espacial LISA, un detector de ondas gravitaciones en el espacio. Finalmente, es el coordinador de los aspectos astrofísicos de la misión espacial china Taiji relacionada con la astronomía de ondas gravitacional

Un año antes de la primera detección de ondas gravitacionales predijiste junto con Xian Chen, catedrático de la Univesidad de Pekín que trabajaba para ti en Alemania, que LIGO detectaría  una onda gravitacional en cierto rango y con propiedades particulares. La predicción justamente corresponde con el rango y propiedades de la detección.  ¿Qué otro tipo de detecciones se esperan para un futuro próximo? 

 La predicción que hice con Xian se basó en muchas ideas que ya eran conocidas y habían sido expuestas por otros colegas. Nosotros nos limitamos a darnos cuenta de que hay un efecto de selección, dentro de un límite estadístico, en las fuentes que LIGO puede observar. En particular, las masas de los agujeros negros deberían ser bastante elevadas, desde un punto de vista tradicional de evolución estelar, es decir, de al menos veinte masas solares, un valor de “spin”, es decir, de rotación del agujero negro bajo, y una excentricidad de prácticamente cero. Hasta ahora, todas las detecciones que ha hecho LIGO, menos la última, siguen a pies juntillas nuestra predicción. Sólo cuando LIGO haya hecho bastantes detecciones podremos tener la certeza de que nuestra predicción era correcta o no. Es decir, cuando tengamos unas cincuenta o cien detecciones, si una mayoría estadística sigue nuestra predicción, eso querrá decir que los agujeros negros se comportan como Xian y yo creemos que deben hacerlo.

El futuro es incluso mucho más interesante y prometedor que lo que tenemos ahora. Con LIGO, hemos detectado por primera vez en la historia de la ciencia binarias de objetos que parecen coincidir con los agujeros negros que describe la relatividad general. Este es un punto muy importante que, por motivos sociales, probablemente, se le pasa por alto a la mayoría de la gente. No hemos detectado agujeros negros. Hemos detectado objetos que son consistentes con la predicción de relatividad general de los agujeros negros. Pero no hemos llegado al nivel de detección necesario para decir que estos son agujeros negros y nada más que agujeros negros, tal y como se describen en relatividad general. Para llegar ahí, nos hace falta una proporción de señal sobre ruido que, bastante probablemente, está fuera del alcance de LIGO, a no ser que tengamos mucha suerte. Es decir, el detector no tiene la “resolución” necesaria. Es como intentar ver un objeto que está por debajo del tamaño de un píxel en la pantalla de un ordenador. Esto, y quiero recalcarlo muy bien, no le quita ningún prestigio a LIGO ni a su equipo, que ha revolucionado literalmente la ciencia"No hemos llegado al nivel de detección necesario para decir que estos son agujeros negros y nada más que agujeros negros"

Conceptualmente y por diseño, LIGO, así como su contrapartida europea, Virgo, está hecho para buscar agujeros negros con masas de decenas, centenares y, hasta como mucho, un par de miles de masas solares (y estos suponen el problema de que se pueden confundir con un ruido del detector). Una binaria que constituya de dos agujeros negros con esas masas solo puede ser oída por LIGO por unos milisegundos. Una binaria de estrellas de neutrones mucho más, hasta uno o dos minutos. Sin embargo, es una señal muy débil que se formó hace mucho tiempo.

El caso de la primera detección fue el más claro, el más fuerte, y correspondió a dos agujeros negros que habían fusionado el uno con el otro hace mucho tiempo, cuando la vida en la tierra estaba empezando a nivel celular. Durante todo ese tiempo, el necesario para que aparecieran los organismos más complejos, los dinosaurios, y recientemente el homo sapiens, la señal viajó hasta nosotros cuando, en 2014, en septiembre, se detectaron los últimos milisegundos del proceso. Toda una proeza, insisto, por parte del equipo de LIGO. Para mejorar esta hazaña tenemos que ir alespacio, y de ello te hablo más adelante.

 Para estas detecciones se han tenido que superar múltiples obstáculos: tecnológicos, teóricos, numéricos, etc. Si tuvieras que elegir un factor, ¿cuál crees que es ahora el factor decisivo para que se avance en la investigación en el campo de las ondas gravitacionales?

 Ninguno. Han sido todos ellos, más una combinación de genios en el campo que han logrado lo que no se podía lograr. Para darte un pequeño ejemplo, los modelos numéricos que realizamos con supercomputadoras para resolver las ecuaciones de Einstein son esenciales para la detección. Sin ellos, no tenemos forma de buscar las ondas en los datos. Sin embargo, no hace tanto tiempo que resultaba imposible obtener esos resultados. Aunque existían varios formalismos numéricos para hacerlo, todos los programas se quedaban colgados, eran incapaces de reproducir ni siquiera media órbita de las muchas que necesitamos para buscar las ondas. Pero una persona, al final del pasillo, en un despacho bastante pequeño, tuvo una idea. Era trivial, como suelen ser las grandes ideas. Fue a varios congresos y entrevistas de trabajo, pero no lo tomaron en serio. ¿Cómo podía haber resuelto un problema tan grande alguien desconocido? Sin embargo, cuando los grupos, que competían fuertemente entre ellos, intentaron aquel pequeño reajuste de sus formulaciones, descubrieron que, como por arte de magia, todos funcionaban bien y daban los mismos resultados."El caso de la primera detección correspondió a dos agujeros negros que habían fusionado el uno con el otro hace mucho tiempo, cuando la vida en la tierra estaba empezando a nivel celular"

 Otro ejemplo es que la agencia que financiaba el proyecto en los Estados Unidos decidió seguir adelante con algo que parecía una misión imposible y una total pérdida de tiempo. Habían invertido muchísimo dinero en LIGO sin ningún resultado, sobre algo que nunca se había observado de forma directa y que mucha gente ponía en duda que se pudiera hacer. Después de la última mejora del detector, prácticamente al ponerlo en marcha, sin casi ningún esfuerzo, se vio la primera detección. Mucha gente creyó que era una trampa, es decir, uno de los ejercicios frecuentes de la colaboración para poner a prueba a los científicos: se solían introducir datos falsos en el detector simulando una detección para que la gente estuviera alerta, una especie de simulacro. La primera detección era idéntica a lo que habíamos leído y visto miles de veces en los artículos teóricos y libros de texto. Demasiado bonito. Nos dejó atónitos a todos. Si la agencia hubiera decidido que “ya está bien”, nunca habríamos llegado hasta ese punto que va a revolucionar todo."Para mejorar esta hazaña tenemos que ir al espacio"

Otro ejemplo es que uno de los receptores del premio Nobel, residente en los Estados Unidos, viajó frecuentemente a la Unión Soviética durante la época del telón de acero. Le causó muchos problemas personales, supongo, pero se dio cuenta de que los rusos habían avanzado en problemas que resultaban imposibles para los norteamericanos, y al revés. Otros científicos de la época rechazaban altaneramente a los rusos, o por miedo. No sé cómo de relevante fue ese intercambio científico, pero no me extrañaría que varias ideas hubieran tenido su origen en él.

Ha sido el esfuerzo intelectual de miles de personas que no perdieron la esperanza, pese a tener mucho, si no todo en ocasiones, en contra. Yo mismo he tenido que oír cientos de veces la pregunta de por qué trabajaba en ello, si no tenía futuro ninguno. 

 En cuanto a lo tecnológico, el tener un detector en el espacio parece algo deseable. ¿Quién, cómo y cuándo se va a realizar lo más probable?

Formo parte de un equipo de científicos que, también durante décadas, estamos poniendo nuestra vista, no en la tierra, sino en el espacio. Si LIGO tiene un tamaño de unos quince kilómetros, nosotros vamos a construir un observatorio de cinco millones de kilómetros, con una resolución de un picómetro en el espacio. Esa resolución equivale a ver desde la tierra un cabello humano que esté en el suelo de una superficie en la luna, sin usar ningún otro instrumento que no sean los ojos.

Sólo desde un punto de vista tecnológico representa un desafío, porque nunca hemos hecho nada similar: queremos construir un interferómetro con tres satélites alejados entre ellos cinco millones de kilómetros. No es por capricho. Esa distancia corresponde a la longitud de las ondas gravitacionales que emiten unos agujeros negros muy especiales, los supermasivos.

Esta misión será muy cara, mucho. Vendrá a costar lo que dos ligas de fútbol español. Por eso la Agencia Espacial Europea (ESA, por sus siglas en inglés) nos exigió que demostráramos que sepuede hacer desde un punto de vista tecnológico. Por eso enviamos un prototipo al espacio y, ante la sorpresa de todos, no sólo llegamos al nivel que se nos exigió, sino que lo hicimos diez veces mejor."Vamos a construir un observatorio de cinco millones de kilómetros, con una resolución de un picómetro en el espacio. Esa resolución equivale a ver desde la tierra un cabello humano que esté en el suelo de una superficie en la luna, sin usar ningún otro instrumento que no sean los ojos"

Por esa razón, la ESA ha aprobado ahora la misión completa. Se llama LISA (Laser Interferometer Space Antenna), y detectará las ondas gravitacionales de agujeros negros con masas de aproximadamente un millón de soles. La gran ventaja, aparte de que suene impresionante y de que hayamos oído bastante sobre estos objetos en el cine, es que, en vez de durar milisegundos, como comentaba antes, duran años. Al durar tanto tiempo, el instrumento tiene tiempo para “escuchar” tan bien, que podremos investigar la gravedad mucho mejor que con LIGO.

Además, en el rango de frecuencias en el que opera LISA, hay un sistema muy especial que nos permitirá hacer algo que, de otra forma, sería imposible de detectar, y que es una de mis fuentes preferidas de ondas gravitacionales. Se trata de la fusión de dos agujeros negros, pero de masas muy diferentes. Uno de ellos con una masa de aproximadamente un millón de soles, y el otro, como de los que ve LIGO, muchísimo más pequeño, de unas diez masas solares. El agujero pequeño describe unas cien mil vueltas a la pista de baile antes de acabar cayendo por el horizonte de sucesos del grande. Por cada vuelta que da, nos envía una especie de fotografía de lo que es el espacio-tiempoalrededor del agujero negro supermasivo. Al final del baile, tenemos unas cien mil fotografías de estas, y no sólo una como con LIGO. Con una descripción tan buena, podremos investigar mucho mejor la relatividad general, teorías alternativas de gravedad y a los agujeros negros mismos, de tal forma, que podremos decir que se trata de esos objetos, de nada más que esos objetos y sólo esos objetos: agujeros negros, los objetos más sencillos del universo y, al mismo tiempo, los más enigmáticos.

 Eres el coordinador de los aspectos astrofísicos de la misión Taiji. ¿Nos puedes explicar en qué consiste esta misión? ¿Formará parte de LISA o será algo independiente?

 Taiji es una misión espacial que, conceptualmente, es una réplica de LISA, ligeramente modificada. China es un país que está emergiendo, que lleva emergiendo mucho tiempo, porque es un titán, y está dispuesto a hacerse notar, y mucho. Hay mucha ambición y resolución en China, con una flexibilidad y agilidad gubernamentales para acelerar el proceso que no dejan de llamarme la atención, aunque vaya tan a menudo a ese país. Al contrario que los científicos europeos, o norteamericanos, los científicos chinos parecen no toparse con la primera barrera con la que nos encontramos siempre en nuestro oficio, la económica. Sin embargo, hay otros problemas, diferentes de los nuestros.""Hay mucha ambición y resolución en China, con una flexibilidad y agilidad gubernamentales para acelerar el proceso que no dejan de llamarme la atención, aunque vaya tan a menudo a ese país""

A mí, por haber dedicado tantos años de mi carrera a las ondas gravitacionales y, en particular, a LISA, se me ofreció dirigir la actividad de astrofísica de la misión que, como tal, todavía no existe más que como concepto. Crear una línea de investigación con muchos recursos, aunque sea adistancia, dado que trabajo en Barcelona, es algo muy tentador y difícilmente algo que un científico fuera a rechazar. Por eso, aunque el esfuerzo es muy grande, porque tengo que viajar con frecuencia allí, lo hago con mucha ilusión, y el apoyo allí es inmenso. Aparte de eso, tengo la suerte de que cuento con uno de mis mejores amigos, al que formé durante su período postdoctoral, el catedrático Xian Chen de la Universidad de Pekín, la más prestigiosa de todo el país. Él, muy en particular y, en general, otros muchos, me ayudan a romper las dificultades que se originan por la diferencia cultural e idiomática. Respecto a si formará o no parte de LISA, lamentablemente, eso es política,  y personalmente me parece bastante más compleja que la astrofísica o relatividad general.

 

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