Miquel Nofrarias: "Amb la missió LISA som el vaixell insígnia de l’Agència Espacial Europea"

Llum verda a un "instrument de ciència-ficció", tal com l’ha qualificat Valeriya Korol, investigadora de l'Institut Max Planck d’Astrofísica a Garching, Alemanya, en declaracions a la revista Nature. L’Agència Espacial Europea (ESA) ha aprovat la missió LISA (Laser Interferometer Space Antenna), un detector d’ones gravitatòries espacial que es començarà a construir el 2025 i es llançarà el 2035.

LISA orbitarà el Sol uns 60 milions de quilòmetres darrere la Terra i obrirà una nova finestra per observar l’Univers. Els astrofísics Miquel Nofrarias i Carlos Sopuerta lideren des de l’Institut de Ciències de l’Espai (ICE-CSIC) i l’Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (IEEC) un dels tres àmbits de treball que conformen la missió. Aquest projecte situa l’ESA en una posició de lideratge internacional: "És un projecte pioner a escala mundial amb el qual Europa s’ha situat al capdavant", assegura Nofrarias. Bàsicament perquè ningú ha fet mai res semblant.

Albert Einstein va predir fa més d’un segle l’existència de les ones gravitatòries, unes deformacions de l’espai i el temps que generen tots els objectes que es mouen sotmesos a la força de la gravetat, però no va ser fins al 2015 que la tecnologia va ser prou madura per detectar-les. Des d’aleshores s’han detectat 90 esdeveniments que han produït ones d'aquest tipus, la majoria corresponents a fusions de forats negres. LISA permetrà detectar ones gravitatòries de manera gairebé contínua, com quan es mira el cel amb un telescopi i es veuen estrelles constantment, i així observar nous fenòmens protagonitzats per objectes astrofísics diferents.

El camí de LISA ha sigut molt llarg. Ja se’n parlava fa 30 anys.

— De fet, les primeres idees van sorgir al mateix moment que es començaven a proposar els detectors d’ones gravitatòries terrestres, cap als setanta. Potser la primera pedra, o la més important, va ser que l'ESA, cap allà als 2000, va aprovar una prova tecnològica que va ser el LISA Pathfinder, una missió que es va enlairar el 2015 i en la qual vam treballar una dècada. Aquests projectes són de diverses generacions.

Com funcionarà LISA?

— Serà una constel·lació de tres satèl·lits separats 2,5 milions de quilòmetres entre ells, que és tres vegades la distància de la Terra a la Lluna. A cada un hi haurà una massa i hi haurà feixos de làsers circulant entre les masses per mesurar les distàncies entre elles. Les ones gravitatòries es detectaran mitjançant els desplaçaments o les acceleracions relatives entre aquestes masses.

Com són aquestes masses?

— Són petits cubs d’uns 4 centímetres de costat. Són d’or i platí i pesen 2 quilos. Es tracta de materials poc sensibles als camps magnètics com els del vent solar que hi ha a l’espai. I pesen tant perquè tinguin una inèrcia important i no es moguin de qualsevol manera. Això va bé per fer mesures de precisió. Pensa que s’han de mesurar variacions de distàncies de picòmetres [0,000000000001 metres], que és la mida d’un àtom.

Tenir aquest instrument d’aquesta precisió volant ha de ser un repte colossal.

— És una infraestructura científica de primera magnitud. De fet, per a l’ESA és un flagship [vaixell insígnia]. És un dels seus projectes més grans i, a més, té un rol de novetat i de cosa pionera a escala mundial. Perquè ningú ho ha fet mai. L’ESA ho entén com el seu aterratge a la Lluna. En aquest projecte no és el partner de la NASA ni de ningú, sinó que Europa va al davant. I això és important.

I difícil.

— Esclar, a terra, pots anar-hi en qualsevol moment i arreglar el que calgui. Pots anar provant, pots anar millorant. Però a l’espai les coses són diferents. Portem gairebé 5 anys de disseny i n’hi haurà 10 més d’implementació per assegurar que el detector, amb els làsers recorrent 2,5 milions de quilòmetres i els sensors en un entorn agressiu, amb radiació, canvis de temperatura, etc., sigui fiable. Tot això s’ha de tenir en compte en el disseny des del principi.

A més, són objectes molt petits, de 4 centímetres, separats 2,5 milions de quilòmetres!

— Hi ha un contrast, sí. També amb les forces que mesurarem, que seran equivalents al pes d’un bacteri. Comparada amb l’electromagnètica, la força gravitatòria és molt dèbil i hem d’esprémer la tecnologia al màxim.

Quin avantatge té que estigui a l'espai?

— Els detectors terrestres detecten senyals que duren mil·lisegons i la seva limitació és el soroll ambient: els moviments sísmics, el soroll del mar, del vent, dels núvols... Tot això els afecta i fa que per senyals més llargs perdin sensibilitat. A l’espai es podran mesurar fenòmens que no durin mil·lisegons sinó hores i fins i tot mesos.

Quins són aquests fenòmens?

— Amb els instruments terrestres es detecten col·lisions de forats negres de desenes de masses solars. Amb LISA es podran detectar fenòmens produïts per objectes més grans, com forats negres supermassius o col·lisions de galàxies. I, a més, es podran rastrejar fins a èpoques molt antigues, de manera que es podrà fer una mica d’història de l’Univers.

Es podran observar altres fenòmens?

— També es podran observar sistemes binaris formats típicament per les estrelles anomenades nanes blanques. A la nostra galàxia n'hi ha desenes de milers i són molt difícils d’observar amb llum. Serà una altra manera d’observar la galàxia des d'una perspectiva que no havíem tingut. I també es podran observar forats negres petits que orbiten al voltant de forats negres molt grossos. En aquests camps gravitatoris tan intensos, les òrbites són molt rares i estudiar-les pot donar moltíssima informació. Aquests objectes són fantàstics, un regal per posar a prova la teoria de la relativitat general.

¿Es podran detectar fenòmens més enllà dels 380.000 anys de l’Univers, que és fins on es pot arribar observant la llum?

— Això és molt primigeni, és el primer moment on hi ha indicis d'estructura. La formació d’objectes ve després i és quan es comencen a formar estructures que s’emeten ones gravitatòries. Hi ha la hipòtesi que hi ha un senyal de fons d’ones gravitatòries anteriors a tot això, però segurament està més enllà del que es pot detectar amb LISA. De tota manera, quan s’utilitza un instrument nou, venen coses que no t’esperes, i això és la part més interessant.

Quin és el vostre paper en la missió?

— La missió es subdivideix en tres subsistemes. Un té a veure amb la metrologia òptica, és a dir, amb els làsers, i el porta un consorci liderat per Alemanya. N’hi ha un altre de relacionat amb les masses (mantenir-les al seu lloc, etc.), liderat per Itàlia. El tercer és el sistema de diagnòstics, que són un conjunt de sensors a cada satèl·lit que el monitoren amb molta precisió per distingir el canvi que provoca una ona gravitatòria de qualsevol altre canvi produït per variacions de temperatura, de radiació, o d’altres paràmetres. Aquest és el que liderem des de l’Institut de Ciències de l’Espai. També contribuïm al projecte en el processament de les dades. Tard o d’hora hi haurà un centre de processament de dades aquí.

L’astronomia d’ones gravitatòries és recent –la primera detecció es va fer el 2015–, però ja es pot considerar un camp consolidat. Hi ha tres detectors terrestres en funcionament –dos als Estats Units, un a Itàlia–, un quart de molt avançat al Japó, i ara se’n faran d’espacials. Quines perspectives de futur té el camp?

— És un camp que està en una fase emergent. Es va treballar durant dècades en els detectors terrestres i després de detectar les primeres ones gravitatòries es va guanyar el premi Nobel el 2017. Ja hi ha plans per anar més enllà. A Europa hi ha el projecte de l’Einstein Telescope, en el qual participem, que es planteja com una infraestructura al nivell de l’accelerador de partícules del CERN, és a dir, un gran túnel amb distàncies de desenes de quilòmetres per observar molts més fenòmens. I també s’ha començat a moure la idea d’instal·lar un detector a la Lluna. Hi ha molta cosa per fer.

Hi ha un projecte xinès semblant a LISA que també està previst per a la dècada dels 30. ¿Se solaparan o es complementaran, aquests dos detectors?

— Hi ha un gran interès, no només per la ciència, sinó també tecnològic, per totes les tecnologies que impliquen aquests detectors. Jo el que sé és que hi havia dues propostes competint a la mateixa Xina. Una de molt semblant a LISA i una altra de diferent. És una cosa que els interessa i és un dels pocs països que tenen la capacitat d’afrontar aquest tipus de projectes. Al final dependrà de quin dels dos tiri endavant. D’alguna manera, ens estan seguint, són allà científicament, competint, cosa que també passa en altres camps com en el dels exoplanetes, on hi ha diferents grups que competeixen amb tecnologies molt semblants.