El entorno más calmado jamás diseñado por el ser humano existe a unos 1,5 millones de kilómetros de la Tierra, anunciaron científicos el martes.

Ahí, protegidos dentro de una nave espacial llamada LISA Pathfinder, de la Agencia Espacial Europea, dos cubos de oro y platino de 4,6 centímetros han llegado a un estado casi perfecto de quietud, sujetos a apenas algo más que la pura fuerza de la gravedad a medida que orbitan alrededor del Sol. Todas las demás influencias que podrían causar que los cubos se movieran –empujones de las moléculas, rayos cósmicos incidentes y vacilantes campos electromagnéticos– solo combinan la fuerza colectiva equivalente de aproximadamente el peso de un solo virus sostenido en su mano. La hazaña, detallada en Physical Review Letters, es un hito importante en la proeza de estudiar las ondas cósmicas llamadas ondas gravitacionales, y allana el camino para futuros observatorios de ondas gravitacionales en el espacio profundo.

Predichas por primera vez por Einstein hace más de un siglo como parte de su teoría general de la relatividad, las ondas gravitacionales son producidas por algunos de los eventos más energéticos del universo –soles en explosión, estrellas de neutrones que giran rápidamente y agujeros negros en colisión–. Sin embargo, estas ondas son muy difíciles de ver, ya que normalmente se manifiestan como oscilaciones de tamaño subatómico a través de grandes extensiones de espacio-tiempo, el tejido de la propia existencia. Para verlas, los científicos suelen utilizar rayos láser para medir con precisión la distancia entre dos “masas de prueba", que al paso de una onda gravitacional se estiran y contraen de manera sutil en el tiempo. Los científicos vislumbraron directamente las ondas gravitacionales, por primera vez en septiembre del año pasado, cuando la fusión de dos agujeros negros de tamaño medio a más de mil millones de años luz de distancia produjo ondas gravitacionales que corrieron a través de los detectores gemelos de la base terrestre del Observatorio de ondas gravitacionales por interferometría laser (LIGO, por sus siglas en inglés). Cada ondulación de la fusión lejana creó un desplazamiento de una fracción de segundo –menor que el radio de un protón– dentro de los detectores de escala kilométrica de LIGO, por lo que la detección fue como medir los 4,5 años luz de distancia hasta Alpha Centauri con la precisión de un cabello.

Lanzada en diciembre de 2015, LISA Pathfinder es una prueba de concepto para mediciones aún más ambiciosas que investigadores esperan llevar a cabo usando un teórico "Laser Interferómetro Antena Espacial"–de ahí el nombre LISA– que la ESA está considerando desarrollar y poner en marcha en la década de 2030. LISA buscaría las ondas gravitacionales resultantes de la fusión de agujeros negros supermasivos en todo el universo observable, poniendo a prueba, en un grado sin precedentes, la relatividad general y profundizando nuestra comprensión de la evolución de las galaxias a través del tiempo cósmico. Debido a que son producidas por objetos mucho más grandes y con más energía, tales ondas tienen longitudes de onda mucho más largas que nada estudiado por LIGO, lo que significa que producen ajustes a escala subatómica en la posición de una masa de prueba en horas en lugar de milisegundos –ajustes imposibles de medir en las profundidades ruidosas del campo gravitacional de la Tierra–. Para llegar a la larga escala temporal y estabilidad extrema requerida para la medición de esas ondas, LISA usaría constelaciones de masas de prueba unidas por láser y repartidas a través de millones de kilómetros de espacio vacío. Como preparación para ese esfuerzo épico, el objetivo de la misión Pathfinder es solo estabilizar y medir la distancia entre las masas de prueba –los cubos de oro y platino–, que están separadas por solo 38 centímetros.

"Hemos tomado las longitudes de millones de kilómetros propuestas para los futuros detectores y las hemos encogido a menos de cuarenta centímetros, para que podamos probar y comprender todos los efectos que podrían perturbar las masas de prueba y enmascarar estas ondas gravitacionales", dice Paul McNamara, científico del proyecto LISA Pathfinder de la ESA. "Ahora realmente hemos abierto la puerta a una misión del tipo LISA. La tecnología que necesitamos ya no es magia negra; es real". La estabilidad medida de los cubos es más de cinco veces mejor que las proyecciones conservadoras para la misión LISA Pathfinder, y está solo a un 25 por ciento de los umbrales de estabilidad más rigurosos para una misión LISA a gran escala.

En un comunicado, David Reitz, director ejecutivo del proyecto LIGO Avanzado, llamó al éxito de LISA Pathfinder "una actuación magistral en mediciones de precisión" que impulsaría el estudio de ondas gravitacionales a nuevas alturas. "Estos resultados son un muy buen presagio para la futura misión LISA", escribió Reitz. Los experimentos de la nave espacial muestran que "la precisión requerida por LISA para medir los desplazamientos de masas de prueba están controlados, preparando el escenario para la próxima era en detectores de ondas gravitatacionales".

Según Stefano Vitale, un profesor de física a cargo del "paquete tecnológico" de LISA Pathfinder, el secreto de la estabilidad extrema del experimento es su enfoque de no intervención. Los cubos de oro-platino "no tienen ningún contacto mecánico con nada; el vacío es todo lo que les rodea", dice Vitale. "El truco fundamental es que en lugar de empujar estas masas de prueba a seguir los movimientos de la nave espacial, empujamos la nave espacial". Electrodos dispuestos dentro de la cámara interior aislada de la nave espacial detectan las posiciones de los cubos que flotan libremente, ocasionalmente desencadenando el suave disparo de micro-impulsores para mantenerlos lejos de las paredes de LISA Pathfinder. Las maniobras son exquisitamente delicadas. Un millar de los micro-impulsores apenas podrían mover una hoja de papel en la Tierra, pero la nave espacial de media tonelada solo lleva seis. Los cubos se estabilizan aún más por impulsos periódicos de luz ultravioleta, que neutraliza cargas eléctricas infinitamente pequeñas que se acumulan a partir de los impactos de rayos cósmicos.

Ahora, la mayor perturbación al movimiento de los cubos, dice McNamara, es la atmósfera enrarecida que aún queda en la cámara interior de la nave, que solo tiene una cien millonésima parte de la presión del aire a nivel de la superficie de la Tierra. El equipo de LISA Pathfinder está extrayendo tantas de las persistentes moléculas de la cámara de prueba como es posible para mejorar aún más la estabilidad del experimento. "Estamos limitados por el ruido de los movimientos aleatorios de las moléculas de gas tañendo las superficies", dice McNamara –un fenómeno llamado movimiento browniano que Einstein utilizó en 1905 para sentenciar el caso de que la materia ordinaria está compuesta por átomos–. "En otras palabras, mientras tratamos de demostrar que Einstein tenía razón acerca de la relatividad general, otra de sus predicciones –el ruido browniano– ¡se ha convertido ahora en nuestra limitación!".