El grup de recerca GRAVITY de la UIB participa en la detecció del forat negre més massiu que s’ha detectat mai amb ones gravitacionals 

La comunitat científica de les col·laboracions internacionals que participen en el detector Advanced Virgo a l'Observatori Gravitacional Europeu (EGO, de les seves sigles en anglès), a Itàlia, i els dos detectors Advanced LIGO, als EUA, han anunciat que han detectat un forat negre de 142 masses solars aproximadament, resultat final de la fusió de dos forats negres de 66 i 85 masses solars. Tant la component primària com el romanent se situen en un rang de masses que no ha estat observat mai abans, ni a través d'ones gravitacionals ni amb observacions electromagnètiques.

El forat negre final és el més massiu mai detectat amb ones gravitacionals. L'esdeveniment d'ones gravitacionals va ser detectat pels tres interferòmetres de la xarxa global el 21 de maig de 2019. S'estima que la font del senyal, catalogada com GW190521, es troba a uns 17 mil milions d'anys llum de la Terra. Dos articles científics informant sobre el descobriment i les seves implicacions astrofísiques han estat publicats avui en les revistes científiques Physical Review Letters i Astrophysical Journal Letters, respectivament.

Aquesta recerca ha comptat amb la participació del grup de recerca en Física Gravitacional: Teoria i Observació (GRAVITY) de la Universitat de les Illes Balears. L’equip de la UIB, que lidera la doctora Alícia Sintes, ha participat en la col·laboració científica LIGO des del començament. En el marc de LIGO, els investigadors de la UIB participaren en una fita històrica per a la ciència: la primera detecció d’ones gravitacionals, ondulacions de l’espaitemps que arriben a la Terra a la velocitat de la llum procedents d’un esdeveniment catastròfic a l’univers. Aquest descobriment va ser mereixedor del premi Nobel de Física l’any 2017.

Cercant l’origen dels forats negres supermassius

Batre el rècord de massa de les deteccions en els períodes d'observació de Virgo i LIGO és només una de les diverses característiques especials que fan que aquesta detecció sigui una fusió excepcional i un descobriment sense precedents. Un aspecte crucial, que particularment va cridar l'atenció de la comunitat astrofísica, és que el romanent pertany a la classe dels anomenats «forats negres de massa intermèdia» (des d'unes cent fins a unes cent mil masses solars). L'interès en aquesta població de forats negres està relacionat amb un dels trencaclosques més fascinants i complexos de l'astrofísica i la cosmologia: l'origen dels forats negres supermassius. Aquests monstres gegants, de milions a milers de milions de vegades més massius que el Sol i sovint en el centre de les galàxies, podrien sorgir de la fusió de forats negres de massa intermèdia «més petits».

Fins avui, molts pocs candidats a forats negres de massa intermèdia han estat identificats únicament a través d'observacions electromagnètiques, i el romanent de GW190521 és la primera observació d'un forat negre de massa intermèdia via ones gravitacionals. Té encara més interès el fet que aquesta detecció es trobi en el rang des de 100 a 1.000 masses solars, que ha representat durant molts anys una espècie de «desert de forats negres», a causa de l'escassetat d'esdeveniments candidats en aquest rang.

«Aquesta detecció obre la porta a descobrir molts més possibles efectes astrofísics nous», comenta Thomas Dent, coordinador del programa d'ones gravitacionals en l'Institut Gallec de Física d'Altes Energies (IGFAE) i membre de la Col·laboració Científica LIGO. «Ha estat molt complex interpretar el senyal, en estar en el límit de la nostra capacitat tècnica. Només tindrem una idea clara de com es va formar el sistema que la va generar després de fer recerques addicionals i amb deteccions futures amb les quals les puguem comparar».

«Estic molt orgullosa de la gran implicació dels grups LIGO-Virgo espanyols en aquest nou esdeveniment, amb tota l'activitat desenvolupada al llarg de molts mesos, incloent-hi tasques de gran responsabilitat, i les expectatives que aquest nou descobriment genera entre els científics de camps afins», assenyala Alícia Sintes, de la Universitat de les Illes Balears (UIB) i membre de la Col·laboració Científica LIGO. «En particular, Thomas Dent (IGFAE) i Juan Calderón Bustillo (Universitat Xinesa de Hong Kong i, anteriorment, membre de la UIB), han estat membres de l'equip editorial d'aquests articles; Sascha Husa i David Keitel, tots dos de l’Institut d’Aplicacions Computacionals de Codi Comunitari (IAC3-UIB), han estat revisors interns dels resultats obtinguts».

Un nou repte per a l’astrofísica

Els components i la dinàmica del sistema binari coalescent GW190521 ofereix unes perspectives astrofísiques extraordinàries. El més massiu dels dos forats negres fusionats és més gros que qualsevol forat negre observat fins ara per LIGO i Virgo, i fins i tot el forat negre més lleuger figura entre els més massius observats. En particular, les masses dels forats negres progenitors desafien els models astrofísics que descriuen el col·lapse de les estrelles més massives, al final de les seves vides, a forats negres. Segons aquests models, les estrelles més massives es desestabilitzen completament en les explosions de supernova, a causa d'un procés anomenat «inestabilitat de parells», i deixen al seu pas únicament gas i pols còsmica. Per tant, la comunitat astrofísica no esperaria observar cap forat negre en aquest rang de masses entre unes 60 i 120 masses solars: exactament el rang de masses en el qual es troba la component més massiva de GW190521. Per això, aquesta detecció obre perspectives noves en l'estudi de les estrelles massives i els mecanismes de les supernoves.

«Hi ha diversos escenaris que prediuen la formació de forats negres en el buit en la distribució de masses a causa de la inestabilitat de parells: podrien ser el resultat de la fusió de forats negres més petits o de la col·lisió de (múltiples) estrelles massives, o, fins i tot, de processos més exòtics», afegeix Michela Mapelli, de la Universitat de Padova i l’INFN, i membre de la Col·laboració Virgo. «No obstant això, és també possible que hàgim de revisar la nostra comprensió actual de les etapes finals de la vida d'una estrella i les restriccions sobre la massa final en els processos de formació de forats negres».

De fet, la detecció de GW190521 per part de Virgo i LIGO subratlla l'existència de poblacions de forats negres que no han estat observades mai o que són inesperades i, en això, planteja noves i intrigants preguntes sobre els mecanismes de formació. Malgrat la durada inusualment curta del senyal, que limita la nostra capacitat per inferir les propietats astrofísiques de la font, les anàlisis més avançades i els models disponibles actualment suggereixen que els forats negres inicials tenien rotacions significatives, és a dir, giraven ràpidament.

«El senyal mostra indicis de precessió, una rotació del pla orbital produït per rotacions de gran magnitud i orientació particular», assenyala Tito Dal Canton, investigador del CNRS a l’IJCLab, a Orsay (França), i membre de la Col·laboració Virgo. «L'efecte és feble i no podem afirmar que sigui present de manera categòrica, però, si fos cert, donaria suport a la hipòtesi que els forats negres progenitors sorgeixen i viuen en entorns còsmics molt inestables i concorreguts, com un cúmul estel·lar dens o el disc d'acreció d'un nucli galàctic actiu».

Ha estat necessari combinar totes les diferents capacitats dels membres de les nostres col·laboracions: les millores instrumentals, el desenvolupament de models numèrics, l'anàlisi de dades i la interpretació astrofísica. «Aquest esdeveniment realment ens ha portat fins als nostres límits: l'anàlisi completa d'aquest esdeveniment i la seva exhaustiva revisió per les col·laboracions ha necessitat un gran nombre d'investigadors durant més de 15 mesos. Cal també recordar que encara no tenim models complets d'aquesta mena de senyals: mentre podem descriure efectes de precessió raonablement bé, els forats negres en general poden presentar també òrbites notablement excèntriques, orbitant en forma d'el·lipses en lloc de cercles quan estan allunyats entre si. Treballam per incloure aquest efecte abans que LIGO i Virgo observin més senyals, amb l'ajuda del supercomputador Mare Nostrum, un dels ordinadors més ràpids que tenim a Europa», assenyala Sascha Husa (UIB).

Una fusió a 17 mil milions d’anys llum

Hi ha diversos escenaris diferents que encara són compatibles amb els resultats mostrats, i fins i tot no ha estat descartada la hipòtesi que els progenitors de la fusió puguin ser forats negres primordials. Estimam realment que aquesta fusió es va produir a una distància de 17 mil milions d'anys llum, aproximadament.

Respecte de les deteccions anteriors d'ones gravitacionals, el senyal GW190521 observat té una durada temporal molt curta i és molt més difícil d'analitzar. A causa de la naturalesa més complexa del senyal, també han estat considerades altres fonts més exòtiques, i aquestes possibilitats estan descrites en una publicació complementària. No obstant això, són menys probables enfront de la possibilitat que la font sigui una fusió d'un sistema binari de forats negres.

Cinc grups a Espanya estan contribuint a l'astronomia d'ones gravitacionals de LIGO-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 a l'Institut Gallec de Física d'Altes Energies (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, 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'Estàncies Turístiques (ITS 2017- 006, PRD2018/24), la Conselleria d'Educació, Cultura i Universitats del Govern de les Illes Balears, el Fons Social Europeu, del Fons Europeu de Desenvolupament Regional, la Conselleria d'Innovació, Universitats, Ciència i Societat Digital de la Generalitat Valenciana (PROMETEO/2019/071), la Xarxa Espanyola de Supercomputació i PRACE. A més, participa en les xarxes Consolider Multidark (FPA2017-90566-REDC) i 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 d’Astropartícules (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 uns 580 membres procedents de 109 institucions a 13 països, incloent-hi 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 prop de Pisa, a Itàlia, i és finançat pel Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) a França, l'Instituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) a Itàlia, i Nikhef als Països Baixos. Es pot consulta una llista dels grups de la Col·laboració Virgo a: <http://public.virgo-gw.eu/the-virgo-collaboration/>. Hi  ha més informació disponible a la pàgina 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 LIGO i varen liderar el projecte. L'NSF, juntament amb 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, que aportaren compromisos i contribucions significatives al projecte. 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>.

La contribució espanyola la financen l’Agència Estatal d’Investigació, el Ministeri de Ciència i Innovació i el Ministeri d’Universitats, a través dels programes AYA i FPN, programes d’Excel·lència Severo Ochoa i María de Maeztu, programes de finançament de la Unió Europea, fons FEDER, Fons Social Europeu, Vicepresidència i Conselleria d’Innovació, Recerca i Turisme i Conselleria d’Educació, i Universitats del Govern de les Illes Balears, Conselleria d’Innovació, Universitats, Ciència i Societat Digital de la Generalitat Valenciana a través dels projectes PROMETEO, programa CERCA de la Generalitat de Catalunya, y tenen el suport de la Xarxa Espanyola de Supercomputació (RES).

Contingut multimèdia

Es trobar més material a les webs següents:

• Col·laboració Virgo: http://www.virgo-gw.eu/gw190521/
• Col·laboració Científica LIGO: https://www.ligo.org/detections/GW190521.php 

 

Documents relacionats

• Nota LIGO-Virgo ES  (2 MB)
• Nota LIGO EN  (172 KB)
• Resum científic ES  (623 KB)
• Resum científic EN  (538 KB)

Data de publicació: 02/09/2020