La ciencia de las ondas gravitacionales tiene un gran potencial que los científicos están ansiosos por desarrollar. ¿Es un observatorio de ondas gravitacionales en la Luna el camino a seguir? Crédito: NASA/Goddard/LRO.
Los científicos detectaron la primera onda gravitacional predicha desde hace mucho tiempo en 2015 y, desde entonces, los investigadores han estado hambrientos de mejores detectores. Pero la Tierra es cálida y sísmicamente ruidosa, y eso siempre limitará la eficacia de los detectores terrestres.
¿Es la Luna el lugar adecuado para un nuevo observatorio de ondas gravitacionales? Puede ser. Enviar telescopios al espacio funcionó bien, y montar un observatorio GW en la Luna también podría funcionar, aunque la propuesta es obviamente muy compleja.
La mayor parte de la astronomía trata sobre la luz. Cuanto mejor podemos sentirlo, más aprendemos sobre la naturaleza. Por eso hay telescopios como el Hubble y el JWST en el espacio. La atmósfera de la Tierra distorsiona las imágenes de los telescopios e incluso bloquea parte de la luz, como la infrarroja. Los telescopios espaciales solucionan ambos problemas y han revolucionado la astronomía.
Las ondas gravitacionales no son luz, pero sentirlas aún requiere una sensibilidad extrema. Así como la atmósfera de la Tierra puede introducir «ruido» en las observaciones de los telescopios, la actividad sísmica de la Tierra puede causar problemas a los detectores de ondas gravitacionales. La Luna tiene una gran ventaja sobre nuestro planeta dinámico y en constante cambio: tiene mucha menos actividad sísmica.
Sabemos desde los días del Apolo que la luna tiene actividad sísmica. Pero a diferencia de la Tierra, la mayor parte de su actividad está relacionada con fuerzas de marea y pequeños impactos de meteoritos. La mayor parte de su actividad sísmica también es más débil y mucho más profunda que la de la Tierra. Esto atrajo la atención de los investigadores que desarrollan la Antena de Ondas Gravitacionales Lunares (LGWA).
Los desarrolladores de la LGWA han escrito un nuevo papel«La antena de ondas gravitacionales lunares: estudios de misión y caso científico», y lo publicó en el arXiv servidor de preimpresión. El autor principal es Parameswaran Ajith, físico y astrofísico del Centro Internacional de Ciencias Teóricas del Instituto Tata de Investigación Fundamental, Bangalore, India. Ajith también es miembro de la Colaboración Científica LIGO.
Un observatorio de ondas gravitacionales (GWO) en la Luna cubriría un vacío en la cobertura de frecuencia.
«Teniendo en cuenta el tamaño de la Luna y el ruido esperado producido por el fondo sísmico lunar, el LGWA podría observar GW de aproximadamente 1 mHz a 1 Hz», escriben los autores. «Esto convertiría al LGWA en el eslabón perdido entre detectores espaciales como LISA con sensibilidades máximas de unos pocos milihercios y futuros detectores terrestres propuestos como el Telescopio Einstein o el Cosmic Explorer».
Si se construye, el LGWA consistiría en un conjunto de detectores a escala planetaria. Las condiciones únicas de la luna permitirán a la LGWA abrir una ventana más grande a la ciencia de las ondas gravitacionales. La luna tiene una actividad sísmica de fondo extremadamente baja que los autores describen como «silencio sísmico». La falta de ruido de fondo permitirá detecciones más sensibles.
La luna también tiene temperaturas extremadamente bajas dentro de sus regiones permanentemente sombreadas (PSR). Los detectores deben estar súper enfriados, y las frías temperaturas en las PSR facilitan esa tarea. El LGWA constaría de cuatro detectores ubicados en un cráter PSR en uno de los polos lunares.
Un resumen gráfico del caso científico de LGWA, que incluye estudios de múltiples mensajes con observatorios electromagnéticos y observaciones multibanda con detectores de GW terrestres y espaciales. Crédito: Ajith et al 2024/LGWA
La LGWA es una idea ambiciosa con beneficios científicos potencialmente revolucionarios. Cuando se combina con telescopios que observan todo el espectro electromagnético y con detectores de neutrinos y rayos cósmicos (llamado astronomía de múltiples mensajeros), podría avanzar en nuestra comprensión de una gran cantidad de eventos cósmicos.
La LGWA tendrá algunas capacidades únicas para detectar explosiones cósmicas. «Sólo LGWA puede observar eventos astrofísicos que involucran a WD (enanas blancas), como eventos de perturbación de mareas (TDE) y SNe Ia», explican los autores. También señalan que sólo la LGWA podrá advertir a los astrónomos con semanas o incluso meses de antelación sobre la fusión de binarias compactas de masa solar, incluidas estrellas de neutrones.
El LGWA también podrá detectar binarios de agujeros negros de masa intermedia (IMBH) más ligeros en el universo temprano. Los IMBH desempeñaron un papel en la formación de los agujeros negros supermasivos (SMBH) actuales en el corazón de galaxias como la nuestra. Los astrofísicos tienen muchas preguntas sin respuesta sobre los agujeros negros y cómo han evolucionado, y la LGWA debería ayudar a responder algunas de ellas.
Las fusiones de dobles enanas blancas (DWD) fuera de nuestra galaxia son otra cosa que sólo la LGWA podrá detectar. Se pueden utilizar para medir la constante de Hubble. A lo largo de las décadas, los científicos han obtenido mediciones más refinadas de la constante de Hubble, pero todavía existen discrepancias.
La LGWA también nos contará más sobre la luna. Sus observaciones sísmicas revelarán la estructura interna de la luna con más detalle que nunca. Hay muchas cosas que los científicos aún no saben sobre su formación, historia y evolución. Las observaciones sísmicas de la LGWA también iluminarán los procesos geológicos de la luna.
La misión LGWA aún está en desarrollo. Antes de que pueda implementarse, los científicos necesitan saber más sobre dónde planean colocarlo. Ahí es donde entra en juego la misión preliminar de prueba de sonido.
En 2023, la ESA seleccionó Soundcheck en su Reserva de Actividades Científicas para la Luna. Soundcheck no sólo medirá el desplazamiento de la superficie sísmica, las fluctuaciones magnéticas y la temperatura, sino que también será una misión de demostración tecnológica. «La validación de la tecnología Soundcheck se centra en el despliegue, la mecánica y lectura del sensor inercial, la gestión térmica y la nivelación de la plataforma», explican los autores.
En astronomía, astrofísica, cosmología y esfuerzos científicos relacionados, siempre parece que estamos al borde de nuevos descubrimientos y una nueva comprensión del universo y de cómo encajamos en él. La razón por la que siempre parece así es porque es verdad. Los humanos son cada vez mejores en esto, y el advenimiento y el florecimiento de la ciencia GW lo ejemplifica, a pesar de que apenas estamos comenzando. No ha pasado ni una década desde que los científicos detectaron su primer GW.
¿Adónde irán las cosas a partir de aquí?
«A pesar de esta hoja de ruta bien desarrollada para la ciencia de las GW, es importante darse cuenta de que la exploración de nuestro universo a través de las GW está todavía en su infancia», escriben los autores en su artículo. «Además del inmenso impacto esperado en la astrofísica y la cosmología, este campo tiene una alta probabilidad de realizar descubrimientos inesperados y fundamentales».
Más información:
Parameswaran Ajith et al, La antena de ondas gravitacionales lunares: estudios de misión y caso científico, arXiv (2024). DOI: 10.48550/arxiv.2404.09181
Citación: He aquí por qué deberíamos colocar un observatorio de ondas gravitacionales en la luna (2024, 28 de abril) recuperado el 28 de abril de 2024 de https://phys.org/news/2024-04-gravitational-observatory-moon.html
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