Escoltar

LIGO i Virgo reprenen la cerca d'arrugues en l'espai-temps

La Universitat de les Illes Balears lidera les cerques de senyals d'ones contínues provinents d'estrelles de neutrons desconegudes, així com els senyals transitoris emesos després de la fusió de dues estrelles de neutrons. El tercer període d'observació dels detectors LIGO i Virgo començarà l'1 d'abril.

Els detectors Virgo i LIGO estan preparats per començar el nou període d'observació, anomenat O3. La caça d'ones gravitacionals està a punt per començar l'1 d'abril, quan el detector europeu Virgo, amb base a Itàlia a l'Observatori Gravitacional Europeu (EGO, per les sigles en anglès), i els detectors bessons de LIGO finançats per l’NSF, situats als estats de Washington i Louisiana (als EUA), començaran a prendre dades per convertir-se, conjuntament, en l'observatori d'ones gravitacionals més sensible fins ara. Durant aquest període, que durarà un any, la col·laboració LIGO-Virgo registrarà dades científiques de manera contínua, i els tres detectors operaran com un observatori global. Des d'agost de 2017, quan va acabar el segon període d'observació (anomenat O2), les dues col·laboracions han treballat intensament en els seus interferòmetres per millorar la sensibilitat i fiabilitat.

«Per a aquest tercer període d'observació, hem aconseguit millores significativament més importants respecte de la sensibilitat dels detectors de l'últim període», diu Peter Fritschel, científic en cap del detector LIGO al MIT. «I amb LIGO i Virgo observant junts l’any que ve, detectarem amb seguretat moltes més ones gravitacionals i de més tipus de fonts que mai no hem vist. Estam ansiosos per veure també nous esdeveniments, com ara la col·lisió d'un forat negre i una estrella de neutrons».

De la primera detecció al premi Nobel

El 2015, després que LIGO començàs a observar per primera vegada amb un programa actualitzat anomenat LIGO Avançat, aviat va fer història en fer la primera detecció directa d'ones gravitacionals. Les ondulacions varen viatjar a la Terra procedents de la col·lisió de dos forats negres situats a 1.300 milions d'anys llum de distància –un descobriment que va conduir a la concessió del premi Nobel de Física el 2017.

Des d’aleshores, la xarxa de detectors LIGO-Virgo ha descobert nou fusions addicionals de forats negres i un xoc explosiu de dues estrelles de neutrons. Aquest esdeveniment, etiquetat com GW170817, va generar no solament ones gravitacionals, sinó també llum, que va ser observada per dotzenes de telescopis terrestres i espacials.

«Amb els nostres tres detectors operatius en aquest moment, amb una sensibilitat significativament millorada, la xarxa global de detectors LIGO-Virgo espera fer diverses noves deteccions. A més, permetrà la triangulació precisa de les fonts d'ones gravitacionals. Això serà un pas important vers la nostra cerca en l'astronomia de multimissatgers (fenòmens astronòmics observables per diferents canals, com ara la llum i les ones gravitacionals)» comenta Jo Van Den Brand, de Nikhef (Dutch National Institute for Subatomic Physics) i VU University Amsterdam, portaveu de la col·laboració Virgo.

«Anar des de l'època pionera que va menar al descobriment històric fins a l'època actual d'observacions, en què l'interferòmetre i la infraestructura hauran d'operar impecablement 24 hores al dia, 7 dies a la setmana, durant un any complet, era i continua sent un desafiament considerable», diu Stavros Katsanevas, director d'EGO. «Confiï, no obstant això, que afrontarem aquest desafiament amb el mateix èxit amb què afrontam l'anterior».

La sensibilitat del detector se sol donar en termes de la distància des de la qual es pot observar la fusió d'un sistema binari d'estrelles de neutrons. «Durant O2, Virgo Avançat podia observar esdeveniments associats a estrelles de neutrons fins a una distància de 88 milions d'anys llum», comenta Alessio Rocchi, investigador de l’INFN i coordinador de la posada en marxa de Virgo. «Totes dues col·laboracions LIGO i Virgo han treballat per millorar la sensibilitat dels detectors, aprofitant també les actualitzacions instal·lades en els interferòmetres. No ha estat un camí directe en absolut, però certament molt gratificant».

«La qualitat de les dades registrades pels instruments és un factor determinant per detectar senyals d'ones gravitacionals enterrades en el renou i mesurar-ne les propietats», diu Nicolas Arnaud, investigador del CNRS actualment promocionat a coordinador de caracterització del detector d'EGO i Virgo. «S'ha aconseguit progressar molt en aquest camí des d'O2, gràcies a l'esforç combinat de tota la col·laboració, des dels instrumentalistes als analistes de dades».

Objectiu: nous senyals

S'espera que el resultat científic d'O3 sigui revolucionari, i potencialment revelarà nous senyals emocionants procedents de noves fonts, com ara la fusió de sistemes binaris composts per un forat negre i una estrella de neutrons. Així mateix, O3 tindrà com a objectiu les ones gravitacionals de llarga durada, produïdes, per exemple, per estrelles de neutrons girant de manera no simètrica respecte del seu eix de rotació. No obstant això, la detecció d’aquells senyals, així com dels procedents d'explosions supernova produïdes després del col·lapse de nuclis estel·lars i altres fonts, és encara un desafiament enorme, i la col·laboració LIGO-Virgo treballa per acomplir aquest objectiu.

A més, gràcies a les actualitzacions de Virgo i LIGO, s'espera que senyals procedents de la fusió de forats negres, com GW150914, la primera detecció d'ones gravitacionals, siguin molt comuns, fins a un per setmana. Els científics també esperen observar fins a desenes de fusions d'estrelles de neutrons, com GW170817, que va obrir l'era de l'astronomia de multimissatgers així com va proporcionar revelacions en l'evolució de sistemes binaris, la física nuclear, la cosmologia i la física fonamental.

Els científics també han millorat l'anàlisi de les dades a posteriori i en temps real, i han desenvolupat encara més els procediments per al comunicat de les alertes públiques obertes: notificaran en qüestió de minuts a les comunitats de física i astronomia l'observació d'un candidat potencial d'ones gravitacionals. «El nou programari que hem construït és capaç d'enviar alertes públiques obertes en cinc minuts», diu Sarah Antier, investigadora postdoctoral en la Universitat París Diderot i responsable del programa de baixa latència de la col·laboració Virgo. «Això permetrà fer un seguiment del senyal d'ona gravitacional amb cerques electromagnètiques i de neutrins, la qual cosa permetrà, doncs, fer descobriments en l'astronomia de multimissatgers. Les observacions de molts senyals, que s'espera que tinguin lloc durant O3, proporcionaran un cens de la població de romanents de massa estel·lar i una millor comprensió de l'univers violent».

Observatoris actualitzats

Des d'agost de 2017 totes dues col·laboracions, LIGO i Virgo, han actualitzat els seus observatoris i els han posat a prova. En particular, Virgo ha reemplaçat per complet els cables d'acer que varen ser usats en O2 per suspendre els 4 miralls principals de l'interferòmetre de 3 km de longitud: els miralls ara estan suspesos amb fibres de silici foses molt fines (en essència, cristall), un procediment que ha permès incrementar la sensibilitat a la regió de freqüències baixes i mitjanes, i que ha tingut un impacte dramàtic en les capacitats de detecció de fusions de sistemes binaris d'objectes compactes. Una segona important actualització va ser la instal·lació d'una font de làser més potent, que millora la sensibilitat a freqüències altes. Finalment, si bé no menys important, ara s'injecten estats de buit comprimits en Virgo Avançat, gràcies també a una col·laboració amb l'Institut Albert Einstein a Hannover, Alemanya. Aquesta tècnica aprofita la naturalesa quàntica de la llum i millora la sensibilitat a altes freqüències.

La tècnica d'injecció d'estats de buit comprimits és una actualització significativa també implementada en els dos interferòmetres LIGO als Estats Units per al pròxim període d'observació. A més, s'ha duplicat la potència del làser amb l'objectiu de mesurar de manera més precisa l'efecte del pas d'ones gravitacionals. S'han dut a terme altres actualitzacions en els miralls de LIGO en tots dos observatoris, amb un total de cinc dels vuit miralls reemplaçats per versions que tenen més bon rendiment.

«Havíem de trencar les fibres que sostenien els miralls, llevar-los amb molta de cura i reemplaçar-los», comenta Calum Torrie, cap d'enginyeria del sistema òptic mecànic de LIGO a Caltech. «Va ser una tasca d'enginyeria enorme».

Ciència oberta

Durant O3, la col·laboració entre LIGO i Virgo continuarà comunicant les noves troballes a la comunitat científica i a la societat. A més, els científics continuaran extraient tots els resultats físics possibles de les dades.

La xarxa global LIGO-Virgo proporcionarà localitzacions ràpides de senyals d'ones gravitacionals i informarà sobre esdeveniments amb alta fiabilitat a través del sistema d'alertes públiques obertes, amb l'objectiu de maximitzar la ciència que la comunitat científica al complet pot dur a terme amb les deteccions d'ones gravitacionals, i minimitzar l'oportunitat de perdre qualsevol contrapartida electromagnètica o de neutrins.

S'espera que el detector japonès KAGRA s'uneixi a la xarxa global LIGO-Virgo en l'última part d'O3, la qual cosa augmentarà les capacitats de detecció i apuntament de la xarxa global.

La participació de la UIB

Hi ha cinc grups a Espanya que contribueixen a l'astronomia d'ones gravitacionals de LIGO-Virgo, en àrees que van des del modelatge teòric de les fonts astrofísiques fins a la millora de la sensibilitat del detector per als períodes d'observació actuals i futurs. Dos grups, el de la UIB i l’IGFAE-USC, formen part de la col·laboració científica LIGO, mentre que la Universitat de València (UV), l’ICCUB i l’IFAE de Barcelona són membres de Virgo.

Després dels meravellosos descobriments que varen aportar els dos primers períodes d'observació, els grups LIGO-Virgo espanyols esperen ansiosament l'imminent període d'observació O3. Les millores significatives en la sensibilitat i els grans avenços tecnològics reeixits en els tres detectors per part dels equips de posada en marxa des d'O2 han estat absolutament notables. Els seus esforços aviat es veuran recompensats amb una altra esperada i important ona de nous i emocionants descobriments, que impulsarà encara més el camp emergent de l'astrofísica de multimissatgers.

El Grup de Física Gravitacional de la UIB seguirà un ampli programa científic per estudiar les ones gravitacionals emeses per forats negres i estrelles de neutrons. L'equip continuarà liderant les cerques de senyals d'ones contínues provinents d'estrelles de neutrons desconegudes, així com els senyals transitoris emesos després de la fusió de dues estrelles de neutrons. Els models del senyal d'ona gravitacional provinents de la fusió de forats negres són una part essencial del procés d'anàlisi de dades, i la UIB participa en el desenvolupament d'un dels dos models clau utilitzats fins ara. Després d'aproximadament tres anys de desenvolupar una descripció millorada i més precisa de la fusió dels forats negres, el grup UIB està ansiós per provar el valor del model en fer nous descobriments. A més, un estudiant de doctorat del grup, Josep Covas, passarà els pròxims tres mesos a LIGO Hanford, i contribuirà directament a operar el detector durant aquest temps emocionant.

El grup d'Ondas Gravitacionals IGFAE de la Universitat de Santiago de Compostel·la és el membre més «jove» de la col·laboració LIGO a Espanya. El grup té una gran experiència en els mètodes d'anàlisis per detectar senyals d'ones gravitacionals procedents de la fusió de sistemes binaris de forats negres i estrelles de neutrons, com són els onze esdeveniments catalogats fins al moment per la col·laboració LIGO-Virgo. Actualment, l’IGFAE-GW treballa en l'actualització dels canals de detecció d'aquest tipus d'esdeveniments per mitjà del programari PyCBC amb l'objectiu de maximitzar l'abast de les cerques de binàries en la nova presa de dades denominada O3. El grup també està involucrat en la deducció d'informació referent a les poblacions de fonts d'ones gravitacionals, incloent els indicis que les dotzenes de noves deteccions probables de binàries de forats negres proporcionaran sobre la formació i evolució d'aquests misteriosos sistemes binaris. Membres del grup IGFAE-GW també treballen en l'observatori de raigs còsmics Pierre Auger, i són, de fet, coautors, juntament amb les col·laboracions LIGO i Virgo, de treballs en els quals s'han establert els límits més restrictius a l'emissió de neutrins d'ultra-alta energia procedents de la fusió del sistema binari d'estrelles de neutrons GW170817. Aquests investigadors continuaran treballant en el seguiment multimissatger dels esdeveniments d'O3 usant les dades recollides a l'observatori Pierre Auger.

El grup Virgo de la Universitat de València espera amb expectació la promesa d'O3 d'augmentar el nombre de deteccions de sistemes binaris d'estrelles de neutrons i, potser, les primeres observacions de sistemes encara no detectats mai, com les fusions mixtes d'un forat negre i una estrella de neutrons i les explosions supernova produïdes després del col·lapse de nuclis estel·lars (aquest últim escenari és bastant improbable, a causa de la baixa amplitud de l'ona gravitacional i la reduïda taxa d'esdeveniments). Fonts astrofísiques d'ones gravitacionals, com ara estrelles de neutrons i progenitors de supernoves, són els focus principals del grup Virgo a València pel que fa a la recerca relativa en el modelatge de formes d'ona a través de simulacions de relativitat numèrica, estimació de paràmetres i anàlisi de dades. A més, aquests escenaris són els candidats principals per fer el seguiment d'observacions de senyals electromagnètics associats, un programa de recerca en el qual el grup de la Universitat de València estarà també involucrat durant O3.

El grup Virgo de l'Institut de Ciències del Cosmos de la Universitat de Barcelona (ICCUB) ajudarà en el processament i anàlisi d'una quantitat vasta de dades d'O3 d'una manera més eficient i fiable. L'experiència del grup en la manipulació de dades massives i instrumentació i electrònica capdavantera, adquirida gràcies a la reeixida participació de l’ICCUB en grans projectes de física d'altes energies (LHCb) i enormes censos astronòmics (Gaia), és transferida a Virgo. D'aquesta manera, els experts multidisciplinaris de l’ICCUB contribuiran a la detecció i anàlisi d'ones gravitacionals proporcionant instrumentació i programari, a més d'anàlisi de dades i els seus grans coneixements científics especialment en el camp de la cosmologia.

L’IFAE ha assumit responsabilitats significatives en l'experiment Virgo relacionades amb el control de la llum difusa en l'experiment. El grup ja ha tingut un paper important en la posada a punt de l'interferòmetre, prèvia al començament d'O3. Aquesta implicació energètica en l'experiment continuarà en aspectes relacionats amb operacions i l'actualització de l'interferòmetre. Amb aquest objectiu, l’IFAE treballa en la construcció de deflectors instrumentats amb fotosensors al voltant dels miralls principals en les àrees suspeses, que permetran, fet i fet, un alineament molt més eficient i un ajustament precís dels paràmetres de l'interferòmetre durant les operacions; una millor descripció dinàmica dels miralls usant les distribucions de llum difusa i simulacions; i la supressió del desenvolupament d'alts modes en l'interferòmetre, que conduiran a patrons recognoscibles en la distribució de la llum en els deflectors. L'equip de l’IFAE ha desenvolupat un programa de recerca complet que se centra en aspectes relacionats amb física fonamental. Això inclou proves de models exòtics de gravetat més enllà de la relativitat general; cerques de forats negres primordials com a candidats de matèria fosca; la determinació precisa del factor d'expansió de l'univers; i l'ús d'ones gravitacionals com a proves de la inflació i les transicions de fase en l'univers primerenc. En col·laboració amb l'equip de l’IFAE en CTA/MAGIC i Cosmologia Observacional, el grup en Virgo té una posició privilegiada per aprofitar al màxim l'enfocament de l'astronomia de multimissatgers.

LIGO

LIGO és finançat per l’NSF i operat per Caltech i MIT, que varen concebre LIGO i varen conduir als projectes de LIGO Inicial i Avançat. El suport econòmic per al projecte LIGO Avançat va ser liderat per l’NSF juntament amb Alemanya (Societat Max Planck), el Regne Unit (Science and Technology Facilities Council) i Austràlia (Australian Research Council-OzGrav), que establiren compromisos significatius i feren contribucions al projecte. Gairebé 1.300 científics de tot el món participen en l'esforç conjunt a través de la Col·laboració Científica LIGO, que inclou la Col·laboració GEO. Una llista dels socis addicionals es pot consultar a: <https://my.ligo.org/census.php>.

Virgo

La Col·laboració Virgo està conformada actualment per devers 350 científics, enginyers i tècnics que pertanyen a una setantena d’institucions de Bèlgica, França, Alemanya, Hongria, Itàlia, els Països Baixos, Polònia i Espanya. L'Observatori Europeu Gravitacional (EGO) acull el detector Virgo prop de Pisa (Itàlia) i ha estat fundat pel Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) a França, l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) a Itàlia, i el Nikhef als Països Baixos. Es pot consultar una llista dels grups en 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>.

Data de publicació: 26/03/2019