Forats negres de totes les formes i grandàries en un nou catàleg d'ones gravitacionals

El grup de recerca GRAVITY de la Universitat de les Illes Balears ha participat en la detecció de 90 esdeveniments d'ones gravitacionals a través de la col·laboració LIGO-Virgo-KAGRA

La col·laboració LIGO-Virgo-KAGRA acaba de publicar el catàleg més extens de col·lisions entre forats negres i estrelles de neutrons. Les ones gravitacionals, ondulacions en l'espaitemps, procedents d'aquestes col·lisions foren recollides per un equip mundial de científics que empren la xarxa internacional d'observatoris d'ones gravitacionals, entre els quals hi ha els membres del grup de recerca GRAVITY de la Universitat de les Illes Balears.

En diversos articles publicats el dilluns 8 de novembre en el servidor gratuït de preimpressions arxiv.org, les col·laboracions descriuen 35 esdeveniments més d'ones gravitacionals des de l'última publicació del catàleg, l'octubre de 2020, la qual cosa eleva a 90 el nombre total d'esdeveniments observats des que començaren les observacions d'ones gravitacionals.

El grup de la UIB ha participat en la col·laboració científica LIGO des que es fundà i ha contribuït directament a l'anàlisi de diverses d'aquestes últimes deteccions utilitzant recursos de supercomputació espanyols.

Un esforç internacional

El catàleg actualitza la llista de tots els esdeveniments d'ones gravitacionals observats fins avui amb esdeveniments detectats entre novembre de 2019 i març de 2020, utilitzant tres receptors internacionals: els dos de l'Observatori Avançat d'Ones Gravitacionals per Interferometria Làser (LIGO), als Estats Units, i el detector avançat Virgo, a Itàlia.
Les dades d'aquests tres detectors han estat analitzats acuradament per un equip internacional de científics de la col·laboració científica LIGO, la col·laboració Virgo i la col·laboració KAGRA. Els grups de recerca espanyols contribueixen tant a LIGO com a Virgo.

Què varen veure LIGO-Virgo-KAGRA?

Dels 35 esdeveniments detectats, 32 eren probablement fusions de forats negres, és a dir, dos forats negres que giren l’un al voltant de l'altre, i, finalment, s'uneixen. És un esdeveniment que emet una ràfega d'ones gravitacionals.

Els forats negres tenen grandàries diferents, i el més massiu té una massa 90 vegades superior a la del nostre Sol. Diversos dels forats negres resultants d'aquestes fusions superen les 100 vegades la massa del nostre Sol i es classifiquen com a forats negres de massa intermèdia. Aquest tipus de forat negre ha estat teoritzat durant molt de temps pels astrofísics. Aquestes últimes observacions de LIGO-Virgo-KAGRA confirmen que aquesta nova classe de forats negres és més comú en l'univers del que es pensaven.

Imatge

Dos dels 35 esdeveniments detectats podrien ser estrelles de neutrons i forats negres que es fusionen, un esdeveniment molt més rar, i que només es va descobrir en l'última sèrie d'observacions de LIGO i Virgo.

D'aquestes rares fusions d'estrelles de neutrons i forats negres, un esdeveniment sembla mostrar un forat negre massiu (unes 33 vegades la massa del nostre Sol) amb una estrella de neutrons de massa molt baixa (unes 1,17 vegades la massa del nostre Sol). Es tracta d'una de les estrelles de neutrons de més poca massa mai detectades, ja sigui mitjançant ones gravitacionals o mitjançant observacions electromagnètiques.

Les masses dels forats negres i de les estrelles de neutrons són pistes clau per saber com viuen les estrelles massives i com es moren en les explosions de supernoves.

Un dels esdeveniments d'ones gravitacionals del catàleg procedia de la fusió de dos objectes, un dels quals era gairebé amb tota seguretat un forat negre (amb una massa unes 24 vegades la del nostre Sol), però l'altre era un forat negre molt lleuger o una estrella de neutrons molt pesada d'unes 2,8 vegades la massa del nostre Sol. Els científics han deduït que el més probable és que es tracti d'un forat negre, però no poden estar-ne totalment segurs. Un esdeveniment ambigu similar va ser descobert per LIGO i Virgo l'agost de 2019. La massa de l'objecte més lleuger és desconcertant, ja que els científics esperen que el més massiu que pot ser una estrella de neutrons abans de col·lapsar per formar un forat negre és al voltant de 2,5 vegades la massa del nostre Sol. No obstant això, no s'havia descobert cap forat negre amb observacions electromagnètiques amb masses inferiors a unes 5 masses solars. Això va portar els científics a teoritzar que les estrelles no col·lapsen per formar forats negres en aquest rang. Les noves observacions d'ones gravitacionals indiquen que aquestes teories podrien haver de ser revisades.

Progrés monumental gràcies als detectors de precisió i la ciència de les dades

Les ones gravitacionals foren predites per primera vegada per Albert Einstein a partir de la seva teoria de la relativitat general el 1916. Com que les ones gravitacionals que arriben a la Terra són tan minúscules, es necessitaren moltes dècades de treball per construir instruments prou precisos per mesurar-les.

Des de la primera detecció d'ones gravitacionals l’any 2015, el nombre de deteccions ha augmentat a un ritme vertiginós. En qüestió de pocs anys, els científics especialitzats en ones gravitacionals han passat d'observar aquestes vibracions en el teixit de l'univers per primera vegada, a observar ara molts esdeveniments cada mes, i fins i tot múltiples esdeveniments el mateix dia.

Els detectors d'ones gravitacionals funcionen utilitzant làsers d'alta potència per mesurar acuradament el temps que es torba la llum a viatjar entre els miralls al llarg de dos braços perpendiculars. En el tercer cicle d'observació, els detectors d'ones gravitacionals aconseguiren el millor rendiment de la seva història. Per aconseguir aquest progrés monumental, els instruments pioners han augmentat la seva sensibilitat gràcies a un programa d'actualitzacions i manteniment constant.

La identificació de senyals en les dades del detector requereix una anàlisi acurada per distingir les ones gravitacionals reals del renou. A mesura que augmenta la taxa de deteccions d'ones gravitacionals, els científics també han millorat la tècnica per filtrar la informació astrofísica de les dades registrades pels detectors. El creixent catàleg d'observacions permet als astrofísics estudiar les propietats dels forats negres i les estrelles de neutrons amb una precisió sense precedents.

Segons David Keitel, investigador distingit Beatriz Galindo i membre del grup GRAVITY de la UIB: «Ara que detectam tants esdeveniments d’aquest tipus, podem aprendre molt més sobre l'Univers que a partir de deteccions individuals: mesurar la velocitat a la qual s'expandeix, estudiar les poblacions de forats negres i estrelles de neutrons que hi ha i posar a prova la relativitat general d'Einstein».

Contribucions del grup GRAVITY de la UIB

Investigadors i estudiants del grup GRAVITY de la Universitat de les Illes Balears han contribuït directament a descodificar els senyals per identificar les propietats de les fonts dels nous esdeveniments d'ones gravitacionals detectats, com ara les masses o la distància.

El grup ha emprat el supercomputador MareNostrum4 del Barcelona Supercomputing Center (BSC), secundat per la subvenció AECT-2021-2-0021 de la Xarxa Espanyola de Supercomputació (RES), amb 9,75 milions d'hores de computació, per accelerar l'anàlisi computacionalment costosa d'alguns dels esdeveniments més difícils detectats fins ara. Entre aquests hi ha dos possibles candidats a estrella forat negre, dels quals s'informa aquí per primera vegada.

Segons Marta Colleoni, investigadora de la UIB, que ha dirigit aquestes simulacions: «MareNostrum4 ha estat un dels recursos computacionals clau en l'anàlisi de les dades d'ones gravitacionals per a l'últim catàleg».

Un dels dos models teòrics utilitzats en aquesta mena d'anàlisi ha estat l'última generació de models fenomenològics d'ones, que ha estat desenvolupada els últims quatre anys pel grup de la UIB en un projecte liderat per Sascha Husa (amb diverses publicacions en revistes internacionals, com Physical Review D). El professor Husa afirma que «desenvolupar un model teòric dels senyals que s'ha emprat per analitzar cada un dels senyals d'ones gravitacionals detectats fins avui ha estat una contribució profundament satisfactòria per a la ciència de les ones gravitacionals, i també ha estat molt satisfactori treballar al costat de joves investigadors i ajudar-los a deixar la seva petjada en el camp. Però no podem aturar-nos aquí. La nostra descripció teòrica dels senyals ha d'estar a l'alçada dels detectors, de cada vegada més sensibles, per no limitar el que podem aprendre de les dades registrades pels detectors».

El grup de la UIB també ha contribuït directament en l'emplaçament del detector: l'estudiant de doctorat Rodrigo Tenorio ha passat alguns mesos a l'Observatori LIGO Hanford ajudant a caracteritzar el renou dels detectors.

El futur del camp

Els observatoris LIGO i Virgo estan sent millorats abans del quart període d'observació, que s'espera que comenci a mitjan de l’any que ve.

L'observatori KAGRA, al Japó, també s'unirà al pròxim període d'observació. Situat en les profunditats d'una muntanya, KAGRA va completar amb èxit el seu primer cicle d'observació el 2020, però encara no s'ha unit a LIGO i Virgo per fer observacions conjuntament. Amb més detectors, els possibles esdeveniments podran localitzar-se amb més precisió.

A mesura que s'afegeixen més deteccions al catàleg d'ones gravitacionals, els investigadors aprenen cada vegada més sobre aquests fenòmens astronòmics.

Abans del pròxim període d'observació, els científics estaran ocupats analitzant la informació existent, aprenent més sobre les estrelles de neutrons i els forats negres, i cercant nous tipus de senyals ocults en les dades.

Alícia Sintes està emocionada amb el que el futur ens ofereix en aquest camp emergent de l'astronomia d'ones gravitacionals. Sintes comenta que: «La generació actual d'instruments ha marcat l'inici d'una nova era en astronomia, però només observam la punta de l'iceberg. Investigam només una part molt petita de l'Univers. Amb vista al futur, el telescopi Einstein, inclòs recentment en el full de ruta del Fòrum Estratègic Europeu sobre Infraestructures de Recerca (ESFRI), serà un detector d'ones gravitacionals de tercera generació a Europa amb una sensibilitat molt millorada, i la missió espacial LISA de l'ESA permetrà estendre les observacions a règims de freqüència i poblacions de fonts completament noves. El nostre grup de la UIB està involucrat en tots dos projectes, que seran capaços d'observar milions d'esdeveniments cada any, els quals permetran fer astronomia gravitacional de gran precisió, explorar la màgia del cosmos i descobrir més fenòmens».

El grup GRAVITY de la UIB i la contribució espanyola

El grup GRAVITY de la UIB és membre de l'Institut d'Aplicacions Computacionals de Codi Comunitari (IAC3) de la UIB i de l'Institut d'Estudis Espacials de Catalunya (IEEC). Té el suport del Ministeri de Ciència i Innovació (PID2019-106416GB-I00/MCIN/AEI/ 10.13039/501100011033), la Conselleria de Fons Europeus, Universitat i Cultura, i la Direcció General de Política Universitària i Recerca del Govern de les Illes Balears, amb fons de la Llei d'impostos d'estades turístiques (ITS2017-006, PRD2018/24), el Fons Social Europeu, el Fons Europeu de Desenvolupament Regional, la Conselleria d'Innovació, Universitats, Ciència i Societat Digital de la Generalitat Valenciana (PROMETEU/2019/071), de la Xarxa Espanyola de Supercomputació (RES) i PRACE. A més, participa en les xarxes Consolider Multidark (FPA2017-90566-REDC) i el Centre Nacional de Física de Partícules, Astropartícules i Nuclear (CPAN- FPA2017-90687-REDC), la xarxa estratègica RED2018-102573-E, la xarxa d'excel·lència: Xarxa Nacional de Astropartícules (RENATA- RED2018-102661-T) i en diverses COST Actions de la Unió Europea (CA18108, CA17137, CA16214 i CA16104).

A l’enllaç següent es pot consultar la llista completa d'investigadors de la UIB que participen en la col·laboració LIGO: <https://roster.ligo.org/roster.php?do=roster&search=group&target=1>.

Hi ha sis grups espanyols que contribueixen a l'estudi i anàlisi de les ones gravitatòries detectades per LIGO-Virgo-KAGRA, en àrees que van des del modelatge teòric de les fonts astrofísiques i l'anàlisi de les dades fins a la millora de la sensibilitat del detector per als períodes d'observació actuals i futurs. Dos grups, a la Universitat de les Illes Balears (UIB) i l'Instituto Galego de Física d'Altes Enerxías (IGFAE) de la Universitat de Santiago de Compostel·la (USC) i la Xunta de Galícia, formen part de la col·laboració científica LIGO; mentre que la Universitat de València (UV), l'Institut de Ciències del Cosmos de la Universitat de Barcelona (ICCUB), l’Institut de Física d’Altes Energies (IFAE) de Barcelona i l'Institut de Física Teòrica (IFT) de la Universitat Autònoma de Madrid-CSIC són membres de Virgo.

Més informació

Documents relacionats

Data de publicació: Mon Nov 08 05:00:00 CET 2021