- La colaboración LIGO, en la que participa el Instituto Galego de Física de Altas Enerxías (IGFAE), centro de la USC y la Xunta de Galicia, junto con Virgo y KAGRA, ha publicado hoy el mayor catálogo de colisiones de agujeros negros y estrellas de neutrones
- Las ondas gravitacionales, ondulaciones en el espacio-tiempo, procedentes de estas colisiones han sido recogidas por un equipo científico internacional que utilizan la red de observatorios de ondas gravitacionales distribuidos por el mundo
- Como se detalla en varios artículos publicados hoy en ArXiv, el equipo ha detectado otros 35 eventos de ondas gravitacionales desde la última publicación del catálogo en octubre de 2020, lo que eleva a 90 el número total de eventos observados desde que comenzaron las observaciones de ondas gravitacionales
Un esfuerzo internacional
El catálogo actualiza la lista de todos los eventos de ondas gravitacionales observados hasta la fecha con eventos observados entre noviembre de 2019 y marzo de 2020, utilizando tres detectores internacionales: los dos detectores del Observatorio Avanzado de Ondas Gravitacionales por Interferómetro Láser (LIGO) en Luisiana y el estado de Washington en los Estados Unidos, y el detector avanzado Virgo, en Italia. Los datos de estos tres detectores han sido cuidadosamente analizados por un equipo científico de la Colaboración Científica LIGO, la Colaboración Virgo y la Colaboración KAGRA.
¿Qué vio LIGO-Virgo-KAGRA?
De los 35 eventos detectados, 32 eran probablemente fusiones de agujeros negros, es decir, dos agujeros negros que giran uno alrededor del otro y finalmente se unen, un evento que emite una ráfaga de ondas gravitacionales.
Los agujeros negros son de distintos tamaños y el más masivo tiene una masa 90 veces superior a la de nuestro Sol. Varios de los agujeros negros resultantes de estas fusiones superan las 100 veces la masa de nuestro Sol y se clasifican como agujeros negros de masa intermedia. Este tipo de agujero negro ha sido teorizado durante mucho tiempo por los astrofísicos. Estas últimas observaciones de LIGO-Virgo-KAGRA confirman que esta nueva clase de agujeros negros es más común en el universo de lo que se pensaba.
Dos de los 35 eventos detectados podrían ser estrellas de neutrones y agujeros negros que se fusionan, un evento mucho más raro y que sólo se descubrió en la última serie de observaciones de LIGO y Virgo.
De estas raras fusiones de estrellas de neutrones y agujeros negros, un evento parece mostrar un agujero negro masivo (unas 33 veces la masa de nuestro Sol) con una estrella de neutrones de muy baja masa (unas 1,17 veces la masa de nuestro Sol). Se trata de una de las estrellas de neutrones de menor masa jamás detectadas, ya sea mediante ondas gravitacionales u observaciones electromagnéticas. Las masas de los agujeros negros y de las estrellas de neutrones son pistas clave para saber cómo viven las estrellas masivas y cómo mueren en las explosiones de supernovas.
Juan Calderón Bustillo, investigador “La Caixa Junior Leader” en el IGFAE, comenta que “mientras que la primera docena de eventos que observamos eran muy similares entre ellos, ahora estamos empezando a desentrañar una importante variedad de fusiones de parejas agujeros negros: desde fusiones muy asimétricas hasta otras muy pesadas que dan lugar a lo que llamamos agujeros negros de masa intermedia. Sin embargo, nos falta observar una gran parte de este misterioso zoo de agujeros negros y quién sabe si de alguna otra sorpresa. Esto requerirá detectores mejorados y algoritmos de búsqueda más refinados”.
Uno de los eventos de ondas gravitacionales del catálogo procedía de la fusión de dos objetos, uno de los cuales era casi con toda seguridad un agujero negro (con una masa unas 24 veces la de nuestro Sol), pero el otro era un agujero negro muy ligero o una estrella de neutrones muy pesada de unas 2,8 veces la masa de nuestro Sol. Lo más probable es que se trate de un agujero negro, pero no se está totalmente seguro. Un evento ambiguo similar fue descubierto por LIGO y Virgo en agosto de 2019. La masa del objeto más ligero es desconcertante, ya que los científicos esperan que lo más masivo que puede ser una estrella de neutrones antes de colapsar para formar un agujero negro es alrededor de 2,5 veces la masa de nuestro Sol. Sin embargo, no se había descubierto ningún agujero negro con observaciones electromagnéticas con masas inferiores a unas 5 masas solares. Esto llevó a los científicos a teorizar que las estrellas no colapsan para formar agujeros negros en este rango. Las nuevas observaciones de ondas gravitacionales indican que estas teorías podrían tener que ser revisadas.
Un progreso monumental
Las ondas gravitacionales fueron predichas por primera vez por Albert Einstein a partir de su teoría de la relatividad general en 1916. Como las ondas gravitacionales que llegan a la Tierra son tan minúsculas, se necesitaron muchas décadas de trabajo para construir instrumentos lo suficientemente precisos para medirlas.
Desde la primera detección de ondas gravitacionales en 2015, el número de detecciones ha aumentado a un ritmo vertiginoso. En cuestión de años, se ha pasado de observar estas vibraciones en el tejido del universo por primera vez a observar ahora muchos eventos cada mes, e incluso múltiples eventos en el mismo día.
Los detectores de ondas gravitacionales funcionan utilizando láseres de alta potencia para medir cuidadosamente el tiempo que tarda la luz en viajar entre los espejos a lo largo de dos brazos perpendiculares. En el tercer ciclo de observación, los detectores de ondas gravitacionales alcanzaron el mejor rendimiento de su historia. Para lograr este monumental progreso, los instrumentos pioneros han ido aumentando su sensibilidad gracias a un programa de actualizaciones y mantenimiento constantes.
Los detectores LIGO y Virgo siguen mejorando, por ejemplo, con el aumento de la potencia del láser y la instalación de luz comprimida. Las excelentes sensibilidades de los detectores han permitido la observación de muchos más eventos de ondas gravitacionales emocionantes, incluyendo la primera detección binaria segura de estrella de neutrones-agujero negro. Los detectores LIGO y Virgo siguen mejorando, por ejemplo, con el aumento de la potencia del láser y la instalación de luz comprimida. Las excelentes sensibilidades de los detectores han permitido la observación de muchos más eventos de ondas gravitacionales emocionantes, incluyendo la primera detección binaria segura de estrella de neutrones-agujero negro.
El uso de la luz comprimida implica aprovechar las propiedades mecánicas cuánticas de la luz para minimizar las incertidumbres en las mediciones. La mecánica cuántica limita la precisión con la que se pueden medir la posición y el momento de algo. La luz comprimida es un estado mecánico cuántico especial de la luz que minimiza la incertidumbre en las propiedades necesarias para las mediciones de las ondas gravitacionales.
Ojos en el cielo
A medida que aumenta el ritmo de las detecciones de ondas gravitacionales, los científicos también han mejorado sus técnicas de análisis para garantizar la gran precisión de los resultados. El creciente catálogo de observaciones permitirá estudiar las propiedades de los agujeros negros y las estrellas de neutrones con una precisión sin precedentes.
Thomas Dent, coordinador del programa de investigación sobre ondas gravitacionales del IGFAE, afirma: «Estas recientes detecciones, que incluyen un nuevo tipo de binaria compacta, son de gran interés astronómico en sí mismas. Además, cuantas más fuentes de ondas gravitacionales detectemos, mejor podremos aprovecharlas para investigar enigmas científicos más amplios. Estas cuestiones incluyen la tasa de expansión del Universo, la física de los estallidos de rayos gamma y cómo se formaron y evolucionaron los agujeros negros y las estrellas de neutrones a lo largo de la historia cósmica, todo ello abordado en artículos que aparecen simultáneamente con el nuevo catálogo».
La identificación de señales en los datos de los detectores requiere un cuidadoso análisis para distinguir las ondas gravitacionales reales del ruido. Utilizando la información de la red internacional de detectores recopilada durante el periodo de observación, el equipo pudo deducir cuidadosamente qué detecciones eran realmente interesantes.
En otro avance significativo de esta reciente carrera, a los pocos minutos de las detecciones iniciales, los astrónomos hicieron un llamamiento público a otros observatorios y detectores de todo el mundo. Esta red de detectores de neutrinos y observatorios electromagnéticos se centró en la zona de la que procedían las ondas, para tratar de identificar el evento fuente. Estas señales electromagnéticas y de neutrinos son raras y muy difíciles de encontrar. Poder buscar rápidamente es una gran ventaja. Ninguna de las ondas gravitacionales anunciadas recientemente tiene una contrapartida.
El futuro del campo
Los observatorios LIGO y Virgo están siendo mejorados antes de la cuarta ronda de observación, que se espera que comience en la segunda mitad del próximo año.
El observatorio KAGRA, en Japón, también se unirá a la próxima ronda de observación completa. Situado en las profundidades de una montaña, KAGRA completó con éxito su primer ciclo de observación en 2020, pero aún no se ha unido a LIGO y Virgo para realizar observaciones conjuntas. Con más detectores, los posibles eventos pueden localizarse con mayor precisión.
A medida que se añaden más detecciones al catálogo de ondas gravitacionales, los investigadores aprenden cada vez más sobre estos fenómenos astronómicos.
Antes de la próxima ronda de observación, los científicos estarán ocupados analizando la información existente, aprendiendo más sobre las estrellas de neutrones y los agujeros negros, y buscando nuevos tipos de señales ocultas en los datos.
Información adicional sobre los observatorios de ondas gravitatorias
Seis grupos españoles contribuyen al estudio y análisis de las ondas gravitatorias detectadas por LIGO-Virgo-KAGRA, en áreas que van desde el modelado teórico de las fuentes astrofísicas y el análisis de los datos hasta la mejora de la sensibilidad de los detectores para los períodos de observación actuales y futuros. Dos grupos, en la Universitat de les Illes Balears (UIB) y el Instituto Galego de Física de Altas Enerxías (IGFAE), centro mixto de la Universidade de Santiago de Compostela (USC) y la Xunta de Galicia, forman parte de la Colaboración Científica LIGO; mientras que la Universitat de València (UV), el Instituto de Ciencias del Cosmos de la Universidad de Barcelona (ICCUB), el Institut de Física d’Altes Energies (IFAE) de Barcelona y el Instituto de Física Teórica (IFT) de la Universidad Autónoma de Madrid-CSIC son miembros de Virgo.
La contribución española está financiada por la Agencia Estatal de Investigación, Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades, a través de los programas AYA y FPN, programas de Excelencia Severo Ochoa y María de Maeztu, programas de financiación de la Unión Europea, Fondos FEDER, Fondo Social Europeo, la Consejería de Fondos Europeos, Universidad y Cultura y la Dirección General de Política Universitaria e Investigación del Gobierno de las Islas Baleares, Conselleria d’Innovació, Universitats, Ciència i Societat Digital de la Generalitat Valenciana, programa CERCA de la Generalitat de Catalunya, la Consellería de Cultura, Educación y Universidade de la Xunta de Galicia, y tienen el apoyo de la Red Española de Supercomputación (RES).
Referencias:
GWTC-3: Compact Binary Coalescences Observed by LIGO and Virgo During the Second Part of the Third Observing Run [pdf download from LIGO DCC] [arXiv version].
Constraints on the cosmic expansion history from the third LIGO-Virgo-KAGRA Gravitational-Wave Transient Catalog [pdf download from LIGO DCC] [arXiv version]
Search for Gravitational Waves Associated with Gamma-Ray Bursts detected by Fermi and Swift during the O3b LIGO-Virgo Run [pdf download from LIGO DCC] [arXiv version]
The population of merging compact binaries inferred using gravitational waves through GWTC-3 [pdf download from LIGO DCC] [arXiv version]
Tabla gráfica de todos los eventos de ondas gravitacionales descubiertos desde 2015 hasta el final del tercer ciclo de observación de LIGO/Virgo. La tabla incluye el nombre del evento gravitacional, el tipo de componente binario (agujero negro, estrella de neutrones o incierto), las masas del primario y del secundario, y la masa del objeto final fusionado. Véase también una versión de gran tamaño del archivo (19MB) adecuada para la impresión de carteles, así como una versión con fondo negro. Crédito: LIGO/Virgo/KAGRA/C. Knox/H. Middleton.
