Onte, 6 de xaneiro de 2020, a Colaboración Científica LIGO ‒na que participa o Instituto Galego de Física de Altas Enerxías (IGFAE)‒ e a Colaboración Virgo anunciaron a primeira detección de ondas gravitacionais do terceiro período de observación (O3). A orixe deste evento, denominado GW190425, áchase na fusión dun sistema binario de estrelas de neutróns cunha masa total de ao redor 3,4 masas solares. Os resultados foron presentados no congreso da Sociedade Astronómica Americana (AAS, das súas siglas en inglés) en Honolulu, Hawaii.
O 25 de abril de 2019 a rede de detectores de ondas gravitacionais formada polos dous detectores Advanced LIGO, en EEUU, e o detector europeo Advanced Virgo, en Italia, observaron un sinal, etiquetada como GW190425. Esta é a segunda observación dunha onda gravitacional consistente coa fusión dun sistema binario de estrelas de neutróns (BNS, polas súas siglas en inglés) tras o sinal GW170817. GW190425 foi detectada ás 08:18:05 UTC (tempo coordinado universal); aproximadamente 40 minutos despois, a Colaboración Científica LIGO e a Colaboración Virgo enviaron unha alerta para poñer en marcha as observacións de seguimento por parte doutros telescopios.
“Detectamos un segundo evento consistente cun BNS e isto é unha confirmación importante para GW170817, o evento que deu inicio á astronomía de multi-mensaxeiros hai dous anos. A masa total é maior que a de calquera BNS coñecido, o que ten implicacións astrofísicas interesantes sobre a formación deste sistema”, comenta Jo van den Brand, portavoz da Colaboración Virgo e profesor na Universidade de Maastricht, Nikhef e a VU University Amsterdam nos Países Baixos. “O que é sorprendente é que a masa combinada deste sistema binario é moito maior que a esperada”, engade Ben Farr, un membro do equipo de LIGO da Universidade de Oregon, en EE. UU.
Estímase que a fonte de GW190425 está a unha distancia de 500 millóns de anos-luz da Terra e está localizada no ceo nunha área unhas 200 veces maior que a proporcionada para o sistema binario observado por LIGO e Virgo en 2017, a famosa GW170817. Isto débese a que o sinal GW190425 foi detectada unicamente cunha relación sinal-ruído elevada por LIGO- Livingston. Nese instante, o detector LIGO- Hanford estaba temporalmente non operativo, mentres que o sinal reconstruído en Virgo era débil, debido á diferenza en sensibilidade con respecto a LIGO- Livingston, e tamén pola probable dirección de orixe do sinal, unha rexión do ceo na que Virgo ten menos sensibilidade no momento de recepción do sinal. Esta menor precisión na localización no ceo fai moi complicado buscar contrapartidas (sinais electromagnéticos, neutrinos ou partículas cargadas). De feito, a diferenza de GW170817, non se atopou ningunha contrapartida ata a data. Con todo, os datos de Virgo utilizáronse posteriormente para mellorar a caracterización do sistema astrofísico.
“Este é o noso primeiro evento publicado cunha detección por un único observatorio”, sinala Anamaria Effler de Caltech, unha científica que traballa no observatorio LIGO- Livingston, “aínda que Virgo fixo unha contribución moi valiosa, xa que usamos os seus datos para determinar mellor a dirección de procedencia do sinal”. “A pesar das diferenzas na relación sinal-ruído dos diferentes interferómetros, causadas polas diferenzas coñecidas de sensibilidade en distancia e nas distintas direccións, a detección conxunta pon de manifesto unha vez máis a importancia da rede internacional”, comenta Stavros Katsanevas, director do Observatorio Europeo Gravitatorio (EGO, das súas siglas en inglés) que alberga o detector Advanced Virgo en Italia, preto de Pisa.
Un sistema binario diferente aos coñecidos
Hai varias posibles explicacións sobre a orixe de GW190425. A máis probable é a fusión dun sistema binario de estrelas de neutróns. De forma alternativa, tamén podería producirse pola fusión dun sistema binario no que unha ou ambas as compoñentes fose un buraco negro (BH, polas súas siglas en inglés), mesmo aínda que non se observaron aínda buracos negros lixeiros no rango de masas consistente con GW190425. Ata o momento, unicamente baseándose nos datos de ondas gravitacionais, estes escenarios non poden descartarse. A masa total estimada do sistema binario é 3,4 veces a masa do Sol. Baixo a hipótese de que GW190425 orixinouse da fusión dun sistema BNS, leste sería considerablemente diferente a todos os sistemas BNS coñecidos na nosa galaxia, cuxo rango de masa total está entre 2,5 e 2,9 veces a masa do Sol. Isto indica que o sistema de estrelas de neutróns que orixinou GW190425 puido formarse de maneira distinta aos sistemas BNS galácticos coñecidos.
GW190425 foi recoñecido como un evento candidato interesante pouco despois da súa detección. Foi publicado como unha alerta pública por LIGO-Virgo, da mesma forma que se fai con todos os eventos candidatos de ondas gravitacionais durante o terceiro período de observación, O3, actualmente en marcha. As alertas públicas son de acceso libre na Base de Datos de Eventos Candidatos de Ondas Gravitacionais.
“Os institutos ICCUB e IFAE en Barcelona e a Universidade de Valencia son membros da Colaboración Virgo, e contribuíron activamente á posta a punto do interferómetro durante O3. Así mesmo, tanto ICCUB como IFAE participan na construción de melloras para Virgo co fin de mellorar a sensibilidade do interferómetro, o que se traducirá nun incremento de sucesos como o que se anunciou”, comenta Mario Martínez, coordinador do grupo de Virgo no IFAE. “Este suceso e os que se descubrirán nun futuro próximo abren unha nova xanela na astronomía con ondas gravitacionais e a un posible entendemento de aspectos básicos en física fundamental e cosmoloxía.”
“O sinal GW190425 é francamente interesante pois desentrañar a súa orixe supón un desafío teórico. É moi probable que sexa debida á fusión de dúas estrelas de neutróns, o que fai que o seu proxenitor sexa especial debido a que tería unha masa total significativamente superior á de todos os sistemas dese tipo observados na nosa galaxia”, sinala José Antonio Font, coordinador do grupo de Virgo na Universidade de Valencia. “Con todo, ao non poder descartarse que o sinal proveña dunha fusión de buracos negros pouco masivos, a súa formación podería apoiar a existencia de buracos negros no aparente intervalo de masas entre as estrelas de neutróns e os buracos negros ou mesmo outras alternativas máis exóticas, como proceder dunha fusión de buracos negros primordiais. Sen dúbida, leste é o tipo de eventos que fai da astronomía de ondas gravitatorias un campo de investigación tan excitante.”
Alicia Sintes, coordinadora do grupo LIGO na Universidade das Illas Baleares, destaca que “a natureza non deixa de sorprendernos e os observatorios LIGO-Virgo traballan conxuntamente para desvelarnos os misterios do Universo. Neste día tan sinalado como o día de Reyes temos a grata nova de anunciar unha nova detección e marcar así o principio dun novo ano moi especial para nós. A medición dos parámetros da fonte, e en particular a notable masa total do sistema, baséanse en modelos matemáticos do sinal de onda gravitacional que se construíron coa participación do grupo da UIB, que tamén tivo un estudante de doutoramento, Pep Covas Vidal, presente no Observatorio LIGO- Hanford durante a observación deste evento.”
“Aínda que a primeira fusión de estrelas de neutróns detectada por LIGO-Virgo (GW170817) foi unha sorpresa debido á súa proximidade con respecto ao Sistema Solar e á súa emisión brillante en luz visible, a segunda detección, GW190425, é máis misteriosa pola súa elevada masa total, que non concorda cos sistemas binarios de estrelas de neutróns detectados por radiotelescopios na nosa galaxia”, puntualiza Thomas Dent, coordinador de LIGO no IGFAE da Universidade de Santiago. “O noso equipo está a ter actualmente un papel destacado na coordinación de análise de poboacións de fusións de sistemas binarios, co obxectivo de entender mellor a orixe deste tipo de eventos, así como contribuír á mellora da sensibilidade dos algoritmos de procura para aumentar a probabilidade de detectar máis fusións de estrelas de neutróns.”
Participación española nunha colaboración internacional
A Colaboración Virgo está formada actualmente por uns 520 científicos, enxeñeiros, e técnicos procedentes de 100 institucións e 11 países diferentes, incluíndo: Bélxica, Francia, Alemaña, Hungría, Italia, Países Baixos, Polonia e España. O Observatorio Europeo Gravitacional (EGO) alberga o detector Virgo preto de Pisa, en Italia, e foi financiado polo Centre National da Recherche Scientifique (CNRS) de Francia, o Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), e Nikhef nos Países Baixos. Unha lista dos grupos da Colaboración Virgo pode atoparse en http://public.virgo-gw.eu/the- virgo- collaboration/. Máis información está dispoñible na páxina web de Virgo http://www.virgo-gw.eu.
LIGO foi financiado pola National Science Foundation (NSF) e operado por Caltech e MIT, que concibiron LIGO e lideraron o proxecto. O NSF, xunto con Alemaña (Sociedade Max- Planck), o Reino Unido (Science and Technology Facilities Council) e Australia (Australian Research Council-OzGrav), lideraron o apoio económico para o proxecto Advanced LIGO, achegando compromisos e contribucións significativas ao proxecto. Aproximadamente 1.300 científicos de ao redor do mundo participan nas tarefas da Colaboración Científica LIGO, que inclúe á Colaboración GEO. Unha lista dos colaboradores adicionais está dispoñible http://www.virgo-gw.eu.
Actualmente, cinco institucións de investigación españolas participan na rede LIGO-Virgo para observar ondas gravitacionais: o Instituto Galego de Física de Altas Enerxías (IGFAE) da Universidade de Santiago e a Universitat de les Illes Baleares (UIB) son membros da Colaboración Científica LIGO, e o Instituto de Ciències del Cosmos (ICCUB) da Universitat de Bacerlona, o Institut de Física d’Altes Energies (IFAE) da Universitat Autònoma de Barcelona en Barcelona (UB) e a Universidade de Valencia (UV) son membros da Colaboración Virgo.
A contribución española está financiada pola Axencia Estatal de Investigación, Ministerio de Ciencia, Innovación e Universidades, a través dos programas AYA e PFA, programas de Excelencia Severo Ochoa e María de Maeztu, programas de financiamento da Unión Europea, Fondos FEDER, fondo social Europeo, Consellería de Educación, Universidade e Formación Profesional da Xunta de Galicia, Vicepresidència i Conselleria d’Innovació, Recerca i Turisme, Conselleria d’ Educació, i Universitats do Govern de les Illes Balears, Conselleria d’ Educació, Investigació, Cultura i Esport da Generalitat Valenciana, programa CERCA da Generalitat de Catalunya, e teñen o apoio da Rede Española de Supercomputación (RES).
Imaxe: ilustración de dúas estrelas de neutróns en colisión. / National Science Foundation / LIGO / Sonoma State University / A. Simonnet.
Video: Este vídeo mostra a simulación de relatividade numérica dunha fusión de estrelas binarias de neutróns compatible coa fonte do sinal GW190425, detectada pola rede global LIGO-Virgo de detectores de ondas gravitacionais o 25 de abril de 2019. As dúas estrelas de neutróns teñen masas 1,75 e 1,55 veces a masa solar, correspondente aos valores medianos da análise do sinal, e están inicialmente a unha separación orbital de 45 km. O vídeo está composto de dúas partes, ambas mostrando as últimas órbitas das estrelas de neutróns, logo a súa colisión, seguida do rápido colapso do remanente nun buraco negro. A primeira visualización céntrase na dinámica da materia estrela de neutróns na rexión central de campo forte; a maior densidade de masa (azul) está por encima das densidades nucleares, as superficies brancas que aparecen máis tarde aproximan o horizonte do buraco negro. A inserción inferior mostra a parte real do modo dominante da onda gravitacional emitida lonxe. A segunda parte, reducida desde a mesma simulación, mostra a propagación das ondas gravitacionais emitidas lonxe da fonte. A superficie codificada por cor mostra a curvatura no plano orbital. Créditos: CoRe collaboration www.computational-relativity.org / Jena FSU.
