El grup Gravity de la UIB ha contribuït a l’anàlisi dels 39 nous senyals detectats entre l’1 d’abril i l’1 d’octubre de 2019 pels detectors de LIGO i Virgo
Després d'un tercer període d'observació molt reeixit i després de diversos mesos d'anàlisi exhaustiva, la col·laboració científica LIGO i la col·laboració Virgo han publicat un catàleg actualitzat de deteccions d'ones gravitacionals. El nou catàleg GWTC-2 continua l'anterior, que incloïa les deteccions dels dos primers períodes d'observació (GWTC-1, publicat al novembre de 2018), i conté 39 senyals nous provinents de col·lisions de forats negres o estrelles de neutrons detectades entre l'1 d'abril i l'1 d'octubre de 2019, la qual cosa suposa un increment de més del triple de deteccions confirmades. El nou conjunt inclou alguns dels sistemes més interessants observats fins avui, i permet fer nous estudis qualitatius i quantitatius sobre poblacions astrofísiques i de física fonamental.
Quatre articles científics seran publicats simultàniament, presentant el catàleg de noves fonts (https://dcc.ligo.org/p2000061/public), un estudi de les implicacions astrofísiques (https://dcc.ligo.org/p2000061/public), proves de la relativitat general (https://dcc.ligo.org/p2000091/public) i una cerca d'ones gravitacionals associades a brots de raigs gamma (gamma-ray bursts en anglès), que no ha detectat senyals addicionals (https://dcc.ligo.org/p2000040/public). Resums dels articles esmentats estaran disponibles a <https://ligo.org/science/outreach.php>.
El gran increment del nombre de deteccions ha estat possible gràcies a millores significatives en els instruments d'observació respecte de períodes d'observació previs. Entre aquestes millores s'inclouen un augment de la potència del làser, miralls millorats i, de manera destacada, l'ús de tecnologia de compressió quàntica (quantum squeezing). Amb tot això, aquestes millores han permès una millora entorn del 60% en el rang amb què els senyals poden detectar-se. A més, els detectors varen poder operar sense interrupció més sovint que en el passat, amb un cicle de treball del 75% respecte del 60% anterior.
Amb tots aquests nous senyals, podem millorar la comprensió de les poblacions de forats negres i estels de neutrons a l'univers. En analitzar simultàniament tot el conjunt de fusions binàries de forats negres, podem maximitzar la informació astrofísica que n’extraiem. D'ells inferim que la distribució de masses de forats negres no segueix una simple distribució potencial. Mesurant les desviacions respecte d'aquesta llei potencial podrem aprendre sobre la formació d'aquests forats negres, ja sigui com a resultat de morts estel·lars com de col·lisions prèvies. Considerar la població completa com un conjunt també ens permetrà fer mesures més sòlides de propietats difícils de mesurar, com pot ser l'espín o moment angular del forat negre. Trobam, així, que alguns forats negres en procés de fusió tenen espins desalineats amb el seu moment orbital angular. Això ens permet demostrar quins són els règims en els quals es formen aquestes binàries.
També podem utilitzar els nombrosos senyals del catàleg actualitzat per posar a prova la teoria de la gravetat d'Einstein, de més i millors formes que en el passat. Això ha estat possible comparant les dades amb prediccions de la teoria, amb la qual cosa es delimiten possibles desviacions respecte de les prediccions. S'han combinat els resultats de múltiples senyals usant mètodes estadístics nous per obtenir les millors cotes fins avui a les propietats de la gravetat en el règim fort i altament dinàmic de les fusions de forats negres. Amb el nou catàleg, LIGO i Virgo també varen poder estudiar de manera directa les propietats dels objectes romanents que són produïts per la fusió: mesurant les vibracions d'aquests objectes i descartant possibles «ressons» posteriors al senyal principal, LIGO i Virgo han confirmat que els romanents es comporten tal com esperem que ho facin els forats negres en la teoria d'Einstein.
Els resultats presentats en el nou catàleg corresponen exclusivament als primers sis mesos del tercer període d'observació de LIGO i Virgo. Els resultats dels cinc mesos restants són analitzats. Mentrestant, es fan millores en els instruments de LIGO i Virgo per preparar el quart període d'observació, durant el qual el detector KAGRA al Japó serà incorporat. Hi ha descobriments molt interessants estan per arribar.
La participació del grup Gravity de la UIB
El grup de la Universitat de les Illes Balears (UIB) ha contribuït en diverses maneres a obtenir aquests resultats. Així doncs, la cap del grup, Alícia Sintes, ha estat la revisora dels resultats de la cerca de brots de raigs gamma (Gamma-ray bursts). A més, Gravity ha contribuït al desenvolupament de models teòrics que s'utilitzen per descodificar les propietats de les fonts astrofísiques, en un esforç liderat per Sascha Husa, juntament amb una participació activa en l'estimació de paràmetres d’alguns dels esdeveniments nous. Els estudiants de doctorat Josep Covas (ara ja doctor) i Rodrigo Tenorio han treballat en el detector de Hanford de manera presencial durant tres mesos cada un, caracteritzant el soroll del detector durant aquest període d'observació. Aquesta feina ha estat essencial per distingir els senyals astrofísics d'artefactes terrestres causats pel soroll, i David Keitel ha coordinat els resums de divulgació de les quatre noves publicacions.
Paral·lelament, el grup ha estat molt actiu l’any 2020: ha publicat models nous, altament eficients, de col·lisions binàries, la qual cosa permetrà que la comunitat científica estudiï la simfonia completa de les ones gravitacionals, incloent-hi els diferents harmònics. Fins ara, els harmònics dels senyals d'ona gravitacional no s'han utilitzat de manera rutinària, i, en el catàleg que ha estat publicat, s'ha limitat l'estudi sistemàtic de l'efecte d'aquests harmònics, a causa del cost computacional elevat que suposava. Els models que el grup de la UIB ha presentat enguany, en un total de sis publicacions (dues de les quals encara estan en procés de revisió per parells), permetran estudiar els harmònics de manera sistemàtica i eficient per a tots els esdeveniments detectats en aquest catàleg i en futures actualitzacions. Els primers estudis utilitzant els models nous han permès de refinar els resultats per a l'esdeveniment GW190412 (publicat originalment a l'abril), en una publicació del grup de la UIB, i també suggereixen una possible interpretació alternativa de la fusió de forats negres més massiva detectada fins avui, la GW190521 (publicada originalment al setembre). Aquest últim treball ha estat realitzat per un grup de l'Albert Einstein Institute, a Alemanya.
«Com per tothom, aquest ha estat un any remarcable pel nostre grup, amb molts alts i baixos, i hem publicat més articles científics que mai, i això sense tenir en compte els de la col·laboració LIGO. Estic alleujat, ara que s’ha publicat aquest catàleg, però diria que hi estic més pel fet que hem obtingut gairebé deu milions d'hores més de temps de computació per a la Xarxa Espanyola de Supercomputadors (RES), la qual cosa ens permet continuar el nostre treball per quatre mesos més al mateix nivell, i poder estudiar així els candidats d'esdeveniments més interessants per al pròxim catàleg d'ones gravitacionals. Estic particularment agraït de poder treballar amb el supercomputador Mare Nostrum, un dels ordinadors més ràpids d’Europa», assenyala Sascha Husa (UIB).
«És molt difícil per a un grup, a Mallorca, poder contribuir a un esforç científic de tanta escala, i alhora col·laborar i competir amb institucions com l'Institut Tecnològic de Califòrnia, el MIT o la Societat Max Planck alemanya amb els mitjans dels quals disposam, però som optimistes que Espanya reconegui la importància de l'R+D+I, i augmenti la seva inversió envers una economia basada en el coneixement», afegeix Alícia Sintes, líder del grup a la Universitat de les Illes Balears (UIB).
En total, cinc grups a Espanya contribueixen a l'astronomia d'ones gravitacionals com a membres de les col·laboracions LIGO o Virgo, 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 de Altas Enerxías (IGFAE) de la Universitat de Santiago de Compostel·la (USC), 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) i l’Institut de Física d’Altes Energies (IFAE) de Barcelona són membres de Virgo.
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/*AEI/10.13039/501100011033, FPA2016-76821-P), la Vicepresidència i Conselleria d'Innovació, Recerca i Turisme, la Direcció General de Política Universitària i Recerca amb fons de la Llei d'impostos d'estades turístiques (ITS2017-006, PRD2018/24), la Conselleria d'Educació, Cultura i Universitats del Govern de les Illes Balears, 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 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: Red Nacional de Astropartículas (RENATA-RED2018-102661-T) i en diverses COST Actions de la Unió Europea (CA18108, CA17137, CA16214 i CA16104).
Informació addicional sobre els observatoris d'ones gravitacionals
La col·laboració Virgo està formada actualment per devers 580 membres, procedents de 109 institucions de tretze països, entre els quals hi ha Bèlgica, França, Alemanya, Grècia, Hongria, Irlanda, Itàlia, els Països Baixos, Polònia, Portugal i Espanya. L'Observatori Gravitacional Europeu (EGO, per les seves sigles en anglès) alberga el detector Virgo a prop de Pisa, a Itàlia, i és finançat pel Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) de França, l'Instituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) d’Itàlia, i Nikhef dels Països Baixos. Es pot consultar la llista dels grups de la col·laboració Virgo a <http://public.virgo-gw.eu/the-virgo-collaboration/>. Hi ha més informació al web de Virgo <http://www.virgo-gw.eu>.
LIGO ha estat finançat per la National Science Foundation (NSF) i operat per Caltech i MIT, que varen concebre’l i varen liderar el projecte. L'NSF, Alemanya (Societat Max-Planck), el Regne Unit (Science and Technology Facilities Council) i Austràlia (Australian Research Council - OzGrav) varen liderar el suport econòmic per al projecte Advanced LIGO, aportant-hi compromisos i contribucions significatives. Aproximadament 1.300 científics de tot el món participen en les tasques de la col·laboració científica LIGO, que inclou la col·laboració GEO. ES pot consultar una llista dels col·laboradors addicionals a <https://my.ligo.org/census.php>.
Publicacions esmentades de la col·laboració LIGO-VIRGO
Catàleg de fonts noves: https://dcc.ligo.org/P2000061/public
GWTC-2: Compact Binary Coalescences Observed by LIGO and Virgo During the First Half of the Third Observing Run
Estudi de les implicacions astrofísiques: https://dcc.ligo.org/P2000077/public
Population properties of compact objects from the second LIGO–Virgo Gravitational-Wave Transient Catalog
Proves de la relativitat general: https://dcc.ligo.org/P2000091/public
Tests of General Relativity with Binary Black Holes from the second LIGO–Virgo Gravitational-Wave Transient Catalog
Cerca d’ones gravitacionals associades a brots de raigs gamma:
https://dcc.ligo.org/P2000040/public.
Search for Gravitational Waves Associated with Gamma-Ray Bursts detected by Fermi and Swift during the LIGO-Virgo Run O3a
Publicacions esmentades del grup Gravity de la UIB
● Towards the routine use of subdominant harmonics in gravitational-wave inference: re-analysis of GW190412 with generation X waveform models.
Authors: Marta Colleoni, Maite Mateu Lucena, Héctor Estellés, Cecilio García Quirós, David Keitel, Geraint Pratten, Antoni Ramos-Buades, Sascha Husa.
https://arxiv.org/abs/2010.05830, October 2020.
● IMRPhenomTP: A phenomenological time domain model for dominant quadrupole gravitational wave signal of coalescing binary black holes.
Authors: Héctor Estellés, Antoni Ramos-Buades, Sascha Husa, Cecilio García-Quirós, Marta Colleoni, Leïla Haegel, Rafel Jaume.
https://arxiv.org/abs/2004.08302, April 2020, submitted to Physical Review D.
● Let's twist again: computationally efficient models for the dominant and sub-dominant harmonic modes of precessing binary black holes.
Authors: Geraint Pratten, Cecilio García Quirós, Marta Colleoni, Antoni Ramos-Buades, Héctor Estellés, Maite Mateu Lucena, Rafel Jaume, Maria Haney, David Keitel, Jonathan E. Thompson, Sascha Husa.
https://arxiv.org/abs/2004.06503, April 2020, submitted to Physical Review D.
● Setting the cornerstone for the IMRPhenomX family of models for gravitational waves from compact binaries: The dominant harmonic for non-precessing quasi-circular black holes. Authors: Geraint Pratten, Sascha Husa, Cecilio Garcia-Quiros, Marta Colleoni, Antoni Ramos-Buades, Hector Estelles, Rafel Jaume
https://arxiv.org/abs/2001.11412, January 2020,
https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.102.064001, September 2020
● Validity of common modelling approximations for precessing binary black holes with higher-order modes
Authors: Antoni Ramos-Buades, Patricia Schmidt, Geraint Pratten, Sascha Husa
https://arxiv.org/abs/2001.10936 January 2020,
https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.101.103014, May 2020
● IMRPhenomXHM: A multi-mode frequency-domain model for the gravitational wave signal from non-precessing black-hole binaries
Authors: Cecilio García Quirós, Marta Colleoni, Sascha Husa, Héctor Estellés, Geraint Pratten, Antoni Ramos Buades, Maite Mateu Lucena, Rafel Jaume
https://arxiv.org/abs/2001.10914, January 2020
https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.102.064002, September 2020
● Accelerating the evaluation of inspiral-merger-ringdown waveforms with adapted grids
Authors: Cecilio García Quirós, Sascha Husa, Maite Mateu Lucena, Angela Borchers
https://arxiv.org/abs/2001.10897, January 2020
Classical and Quantum Gravity (https://iopscience.iop.org/journal/0264-9381), in print, October 2020
Contingut multimèdia
Es pot trobar més material als web següents:
Col·laboració científica LIGO: https://www.ligo.org/detections/
Col·laboració VIRGO: https://www.ligo.org/detections/
Documents relacionats
Data de publicació: 29/10/2020