Revista >> Septembrie 2019 [Nr. 217] >> Cover Story

Misiunea LISA, contribuția românească și începutul unei noi ere în astrofizică

Alexandru Batali

23 Septembrie 2019

În anii 1880, demonstrarea existenţei undelor electromagnetice de către Heinrich Hertz a deschis drumul spre cercetări şi descoperiri care au marcat evoluţia ştiinţei şi omenirii. În mod similar, din 2015, odată cu observarea în premieră a undelor gravitaţionale, ne aflăm în zorii unei noi ere în astrofizică, ce va permite explorarea Universului la un nivel mult mai profund, cu metode și instrumente superioare de investigaţie. Confirmarea existenţei undelor gravitaționale a fost recompensată în 2017 cu premiul Nobel, iar domeniul urmează să explodeze în următoarea perioadă, prin antrenarea de investiţii şi de resurse uriaşe de creativitate, asociate unor rezultate ştiinţifice şi tehnice ce vor schimba cu siguranţă cunoaşterea şi dinamica lumii în care trăim. Agenţia Spaţială Europeană (ESA) a început deja din 2018 pregătirea LISA, prima misiune spaţială care va valorifica cunoaşterea aprofundată a undelor gravitaţionale, iar România are şansa istorică de a contribui la reuşita acestui proiect revoluţionar, prin intermediul Institutului de Ştiinţe Spaţiale (ISS) şi cu sprijinul Agenţiei Spaţiale Române (ROSA). România este astfel ancorată în cercetările de pionierat ale domeniului undelor gravitaţionale şi se va confrunta în deceniile următoare cu provocările şi responsabilităţile dezvoltării de specialişti, competenţe şi infrastructură de vârf, în concordanţă cu exigenţele generate de o explorare ştiinţifică fără precedent.

LISA este misiunea spaţială a ESA de cel mai înalt nivel (large), destinată detectării unuia dintre fenomenele misterioase ale astronomiei: undele gravitaţionale. Prin intermediul LISA se va putea observa şi descoperi Universul în mod direct, vom putea afla cum s-au format materia şi galaxiile, cum au evoluat stelelele, cum s-au format primele găuri negre și cum au evoluat ele, cum arăta universul timpuriu, vom putea descoperi structura şi natura spaţiului şi timpului.

LISA (Laser Interferometer Space Antenna) va fi primul observator spațial de unde gravitaționale, alcătuit din 3 sateliți uniți prin interferometre laser, aşezaţi în formă triunghiulară, la distanțe de 2.5 milioane de kilometri, care vor forma un interferometru laser de înaltă precizie şi vor urma Pământul în orbita sa în jurul Soarelui, pentru un studiu aprofundat al Universului Gravitațional. Scopul misiunii va fi de a detecta undele gravitaționale provocate de evenimente astronomice precum coliziunea a două găuri negre.

Din consorţiul proiectului fac parte 13 ţări ale Agenției Spațiale Europene (Germania, Italia, Franța, Elveția, Marea Britanie, Spania, Danemarca, Olanda, România, Belgia, Portugalia, Suedia, Ungaria), alături de SUA, prin NASA, și Japonia, prin JAXA, și este coordonat de Germania, prin Institutul Max-Planck pentru Fizica Gravitației din Hanovra. Lansarea LISA este preconizată pentru 2034, cu o durată de 4 ani, însa Misiunea va fi concepută să funcționeze cel puțin 10 ani.

„LISA este cea mai mare misiune a ESA, misiunea sa fanion. A fost gândită pentru detectarea în spaţiu a undelor gravitaţionale, caracterizarea lor şi înţelegerea fenomenelor şi surselor care conduc la formarea acestora. Implicaţiile vor fi uriaşe pe parte ştiinţifică - ne putem aştepta să înţelegem fenomenul gravitaţiei şi chiar să creăm gravitaţie sau să folosim anti-gravitația - cât şi pe parte tehnologică, unde se preconizează dezvoltarea de echipamente şi apariţia de tehnologii de vârf cu evoluţie non-liniară, cuantificabile începând cu 2044, când se încheie teoretic Misiunea LISA”, afirmă dr. Sorin Ion Zgură, directorul Institutului de Științe Spațiale.

Afirmarea cercetării spațiale românești
După participări meritorii în misiuni de nivel mediu, ISS a fost cooptat să partcipe într-o misiune de nivel large, LISA, cea mai importantă pe care ESA o va coordona în următorii ani. În această cursă de explorare au fost angrenate cele mai performante instituţii şi minţile cele mai creative.
Cum a ajuns Institutul de Ştiinţe Spaţiale să facă parte din clubul select al misiunii LISA? Dr. Sorin Zgură, directorul ISS, evidenţiază punctele forte prin ca institutul s-a impus în această colaborare şi în elita cercetării mondiale: „În primul rând ISS, prin tematica şi domeniile pe care le aprofundează, este un institut comprehensiv, implicat în cercetări şi proiecte internaţionale de astrofizică, cosmologie şi gravitaţie. În sfera gravitaţiei, expertiza ISS îşi are originea în anii ‘90, când Laboratorul de mecanică inerţială de la ICPE a devenit parte componentă din Institutul de Gravitaţie şi Ştiinţe Spaţiale, condus la acea vreme de dr. Marius-Ioan Piso. Această mutare strategică, coroborată cu rezultatele participării institutului nostru, actualmente ISS, în diverse colaborări internaţionale şi misiuni spaţiale de top, ne-au creat un bun renume. Ca misiuni de succes ale ESA şi NASA, în care ne-am pus în valoare competențele, evidenţiez Misiunea PLANCK, care s-a încheiat, Misiunea EUCLID, ce urmează să fie lansată, şi misiuni mai vechi precum CLUSTER, SWORM ori STORM. De asemenea, ISS face parte din colaborări internaţionale prestigioase: de astrofizică - PIERRE AUGER OBSERVATORY din Argentina, ANTARES şi KM3NeT din Marea Mediterană - colaborările cu CERN pe parte de accelerare a particulelor (proiectele LHC-ALICE și MoEDAL), cu FAIR GSI şi Brookhaven Naţional Laboratory (proiectul BRAHMS). Pe componenta de High Performance Computing menţionez participarea în colaborarea The Worldwide LHC Computing Grid (WLCG), care oferă suport computaţional pentru organizaţiile virtuale gestionate de CERN, şi ranking-ul foarte bun pe care centrul institutului îl are. Pe lângă expertiza deţinută în cercetarea fundamentală, ISS are competențe în cercetarea aplicată, respectiv în dezvoltarea de tehnologii spaţiale. Dar palmaresul ştiinţific deosebit, acumulat în cele mai prestigioase colaborări şi misiuni spaţiale internaţionale, dublat de resursa umană înalt calificată, apreciată şi recunoscută la nivel mondial, sunt elementele fundamentale care au creat o carte de vizită valoroasă, prin care ISS şi-a câştigat legitimitatea intrării în Misiunea LISA.”
De altfel, o serie largă de indicatori ştiinţifici - precum cota de proiecte internaţionale, volumul banilor alocaţi, media de vârstă a cercetătorilor, numărul de articole per cercetător, etc - confirmă faptul că ISS este cel mai valoros institut de cercetare din România. ISS se află pe primul loc în rândul institutelor de cercetare din ţara noastră, potrivit Scimago Rankings, iar în Nature Index a urcat pe o onorantă poziţie 5. „Scopul institutului nu este neapărat acela de a fi pe podiumul producţiei ştiinţifice – explică directorul ISS - ci de a contribui susbstanțial la colaborările şi misiunile spaţiale de vârf existente pe plan mondial. În plus, suntem activi la întâlnirile de grup ale tuturor colaborărilor şi la majoritatea conferinţelor. Cel mai bun reper în acest sens este dat de faptul că în ISS nu există sală de seminar liberă şi în permanenţă avem teleconferinţe cu toţi colaboratorii. Lucrăm, cooperăm, nu există timpi morţi în activitatea noastră, suntem conectaţi la tot ce se întâmplă relevant în ştiinţele spaţiale. În activităţile de bază, cât şi la nivel de excelență ştiinţifică, Institutul functionează pe pilot automat, fiecare ştie ce are de făcut şi o face în cel mai bun mod posibil. Anul acesta ne-am aflat şi în prim-planul pregătirii LISA: în perioada 14-15 mai, Institutul de Științe Spațiale și Agenția Spațială Română au organizat la București a 3-a întâlnire, la nivel înalt, a reprezentanților liderilor naționali de proiect pentru Misiunea LISA.”

Contribuţia românească
În prezent, peste 20 de cercetători și ingineri din trei laboratoare ale Institutul de Științe Spațiale, reuniţi în 3 echipe, sunt implicați în colaborarea LISA, din care România face parte încă de la început. Această contribuție este susținută de Agenția Spațială Română (prin programele „Romanian Incentive Scheme”, PRODEX și programe naționale) și este în perfect acord cu strategia instituțională, cât și cu strategia națională de cercetare-dezvoltare. Dr. Marius-Ioan Piso, preşedintele ROSA şi unul dintre inițiatorii cercetărilor de radiație gravitațională în anii ‘80, şi dr. Sorin Zgură, directorul ISS, sunt reprezentanţii României în Bordul Agențiilor Spațiale Naționale implicate în Misiunea LISA, în timp ce dr. Laurențiu Caramete este membru în Bordul misiunii LISA și co-leader al grupului de lucru Low-latency pipelines, iar dr. Mihnea Popescu este coordonatorul grupului de Hardware al ISS pentru misiunea LISA.
ISS conduce implicarea României în această misiune, iar participarea institutului este axată pe trei direcții principale.

Dezvoltare de componente hardware esențiale
Institutul de Științe Spațiale va contribui la Misiunea LISA cu sistemul CAS (Constellation Acquisition Sensor), care va avea rolul de verificare a alinierii celor 3 sateliți, asigurând achiziția semnalului laser pe detectorii interferometrici. Împreună cu sistemul STR (Coarse Star Tracker), CAS va asigura vizualizarea semnalului laser în timpul manevrelor de scanare. Sateliţii trebuie să se afle la o distanţă precisă, de 2,5 milioane de km între ei, ce trebuie menţinută pentru a se putea măsura diferenţele apărute la trecerea unei unde gravitaţionale prin triunghiul format. Acesta se va lungi pe o direcţie spaţiu-timp, respectiv turti pe direcţia transversală. În absenţa păstrării unei distanţe fixe între cei trei sateliţi şi a menţinerii unei comunicaţii laser între aceştia, a conectării permanente prin semnale laser, măsurarea undelor gravitaţionale nu mai este posibilă.

„ISS are experienţa producerii de detectori, acumulată în urma participării la alte misiuni spaţiale. În colaborarea JEM-EUSO contribuim la fabricarea de telescoape orbitale pentru o altă categorie de fenomene, iar expertiza dobândită aici pe partea dezvoltării de harware ne ajută să o extindem pentru proiectarea CAS. Pe de altă parte, mai participăm şi la o altă misiune, numită PROBA3, unde realizăm un simulator de coronagraf, care ne-a pregătit de asemenea pentru participarea la LISA şi pentru dezvoltarea celor 12 senzori pe care îi vom pune la dispoziţia Misiunii: câte 2 pentru fiecare satelit şi câte 2 de back-up”, declară dr. Eugeniu Mihnea Popescu, conducătorul Laboratorului de Astrofizică, Fizica Energiilor Înalte și Tehnologii Avansate din cadrul ISS.

Institutul și-a luat angajamentul de a participa la dezvoltarea unui sistem de poziționare fină a celor trei sateliți - sistemul CAS - care va fi o componentă esențială pentru corectitudinea observațiilor. Poziționarea se va face cu un sistem laser, fiecare satelit lansând un fascicul laser către celălalt. Semnalul recepționat va determina reorientarea sateliților în poziția corectă. În acest moment, în ISS se derulează un proiect condus de dr. Eugeniu Mihnea Popescu, prin care se dezvoltă și se testează în laborator un prototip al acestui sistem de detecție. Proiectul este susținut de Agenția Spațială Română prin intermediul Programului PRODEX al ESA.