Pols d'estels

Era d’esperar. Després de l’anunci del descobriment de les ones gravitatòries l’11 de febrer de l’any passat estava cantat que els que idearen i desenvoluparen la manera de detectar allò tan tènue com aquestes ones guanyarien el Nobel de Física. L’any passat, només unes mesos després de l’anunci, era tècnicament impossible però d’enguany no havia de passar.

Perquè allò que han aconseguit  Reiner Weiss, Kip S. Thorne i Barry C. Barish, amb la Col·laboracio LIGO/Virgo al seu darrere, voreja quasi allò impossible. Fer visible i mesurar la deformació de l’espai-temps de l’ordre d’una mil·lèsima part de la grandària d’un protó causada per pas d’una ona gravitatòria. I usar les dades obtingudes per determinar l’origen d’aquesta ona, resultat del xoc de dos enormes forats negres situats a milers de milions d’anys-llum de distància.

L’existència d’aquestes ones era una de les previsions de la Teoria de la Relativitat General d’Albert Einstein. Tanmateix la complexitat tècnica de detectar-les ho va impedir durant 100 anys.

En el llibre clàssic Gravitation, de Misner, Thorne & Wheeler, editat el 1973, Kip Thorne ja comentava les dificultats de mesurar aquestes esquives ones en el capítol sobre detecció d’ones gravitatòries: “The technical difficulties to be surmounted in constructing such detectors are enormous. But physicists are ingenious; and with the impetus provided by Joseph Weber’s pioneering work, and with the support of a broad lay public sincerely interested in pioneering in science, all obstacles will surely be overcome.” (Les dificultats tècniques que cal superar en la construcció d’aquests detectors són enormes. Però els físics són enginyosos; i amb l’impuls proporcionat pel treball pioner de Joseph Weber i amb el suport d’un ampli públic interessat en la ciència d’avantguarda, tots els obstacles segurament seran superats.)”

La detecció de les ones gravitatòries es va aconseguir en els dos  detectors del Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) situats un a Luisiana i l’altre a l’estat de Washington, als EEUU, estacions separades 3002 km. Cada observatori consta d’un interferòmetre de Michelson modificat, format per dos braços iguals de 4 km de longitud, disposats en perpendicular i que es tallen en un dels seus extrems, dintre de tubs d’uns 1,2 m de diàmetre al buit. Per mesurar les longituds relatives dels braços, un únic feix de llum làser es divideix en la intersecció dels dos braços. La meitat de la llum làser es transmet en un braç, mentre que l’altra meitat es reflecteix en el segon braç. Uns espills estan suspesos com a pèndols en l’extrem de cada braç i prop del divisor de feix. La llum del làser en cada braç es reflecteix en aquests espills, i finalment torna a la intersecció, on interfereix amb la llum que arriba de l’altre braç.

Si les longituds dels dos braços s’han mantingut sense canvis, a continuació, les dues ones de llum que es combinen s’anul·len completament entre si (interfereixen destructivament) i no hi ha llum observada a la sortida. No obstant això, si una ona gravitatòria passa per l’interferòmetre pot estirar un braç i comprimir l’altre (al voltant de 1/1000 el diàmetre d’un protó) i els dos feixos de llum en retrobar-se ja no interfereixen anul·lant-se completament i donen un patró d’interferència que es detecta a la sortida. Analitzant aquests patrons de llum es pot aconseguir la informació sobre el canvi de longitud relativa entre els dos braços, que al seu torn informa de les característiques de les ones gravitatòria.

LIGO és un projecte de col·laboració amb més mil investigadors de més de vint països. Tots junts han aconseguit fer realitat una idea que ja té gairebé cinquanta anys. Els premiats amb el Nobel de Física del 2017 han estat, cadascun d’ells amb el seu entusiasme i determinació,  inestimable per a l’èxit de LIGO. Rainer Weiss i Kip S. Thorne, juntament amb Barry C. Barish, el científic i el líder que va dur a terme el projecte, han aconseguit, després de quatre dècades d’esforç, fer realitat la previsió d’Einstein i observar finalment ones gravitatòries.

Recentment s’ha posat en funcionament Virgo, el detector europeu situat prop de Pisa, Itàlia. Amb tres detectors la detecció de les ones és més precisa i permet afinar millor la procedència de l’esdeveniment còsmic responsable. Així el passat 27 de setembre la Col·laboració Virgo i la Col·laboració Científica LIGO presentaren la primera observació d’ones gravitatòries realitzada pels tres detectors conjuntament.

L’observació dels tres detectors va tenir lloc el 14 d’agost de 2017, a les 10:30:43 UTC. Les ones gravitatòries detectades –arrugues en l’espaitemps– van ser emeses durant els moments finals de la fusió de dos forats negres amb masses d’aproximadament 31 i 25 vegades la massa del Sol, localitzats prop d’1,8 milers de milions d’anys llum. El forat negre en rotació resultant té prop de 53 vegades la massa del Sol. Això significa que durant la coalescència es van convertir en energia en forma d’ones gravitatòries aproximadament tres masses solars.

Aquesta va ser la quarta detecció d’un sistema binari de forats negres. Encara que aquest esdeveniment és de rellevància astrofísica, té també un important valor afegit: aquest va ser el primer senyal d’ona gravitatòria captat pel detector Virgo, que ha acabat recentment la seua millora com a Advanced Virgo.

A la Universitat de les Illes Balears hi ha un grup que col·labora amb Ligo (LIGO@UIB) des de fa temps mentre que a la Universitat de València el  Valencia Virgo Group participa en la Col·laboració Virgo des de l’1 de juliol del 2016.

Ah! Per cert, Kip S. Thorne, com a expert en forats negres, va ser el guionista de la pel·lícula de ciència ficció Interstellar en la que els efectes de la Relativitat General són part essencial en el desenvolupament de la trama.

Imatges:
1.- Els guardonats amb el Nobel de Física de 2017.
2.- Els dos forats negres van emetre ones gravitacionals durant molts milions d’anys mentre giraven al voltant de l’altre. Ells tenen més a prop, abans de fusionar-se per convertir-se en un forat negre en algunes desenes de segon. Les onades van arribar a un crescendo que, per a nosaltres a la Terra, a 1300 milions de lliures de distància, semblava com un ximple còsmic que arribava a una parada abrupta.
3.- Diagrama simplificat del detector Advanced LIGO (no a escala). LIGO.
4.- Zona de procedència del senyal de la quarta detecció d’ones gravitatòries feta conjuntament per LIGO i Virgo.

La nova astronomia d’ones gravitatòries va fer ahir un gran avanç amb l’anunci de la detecció d’un segon senyal en els detectors LIGO, conseqüència de la fusió de dos forats negres situats a uns 1400 milions d’anys-llum de distància.I és que ahir tornàrem a tindre un dia d’expectació per l’anunci que els membres de LIGO feren de matí en el marc de la reunió de la Societat Astronòmica Americana:

Els científics de la Col·laboració Científica LIGO (LSC) i els de la col·laboració Virgo explicaran la seua recerca més recent en l’esforç per detectar ones gravitatòries, en la 228a reunió de la Societat Astronòmica Americana (AAS) que s’està fent aquesta setmana a San Diego, Califòrnia. La roda de premsa està prevista a les 10:15 AM hora del Pacífic (19:15, hora local).

Alguna noticia important s’estava coent entre els científics gravitatoris (permeteu-me el neologisme) i l’anunci, passades les 19:15, de la detecció de GW151226, el segon flaix confirmat de radiació gravitatòria després del senyal GW150914, la històrica detecció d’ones gravitatòries anunciada fa quatre mesos, no va decebre ningú.

Com va passar amb el primer senyal, GW151225 va ser detectat simultàniament pels dos observatoris de LIGO situats a Livingston, Louisiana i Hanford, Washington als Estats Units.

El senyal es detectà el 26 de desembre a las 03:38:53 UTC (temps local 04:38:53). S’observà primerament en Livingston i 0.0011 ± 0.0003 segons més tard en Hanford. Donat que els dos observatoris estan separats per uns 3000 km, podem estimar la velocitat de l’ona com a pròxima a la velocitat de la llum. És a dir, era una ona gravitatòria amb velocitat pròxima o igual a la de la llum, tenint en compte els errors.

Cal fer notar un fet ben curiós i, és que a causa del canvi horari, l’ona arribà als EEUU just el 25 de desembre, dia de Nadal. Va ser per tant un regal de Nadal però segurament obligà a treballar a més d’un científic aquell dia.

El vídeo mostra com va canviant la freqüència de GW151226 segons els mesuraments del detector de Hanford (Washington).

Després de l’estudi del senyal GW151226 que ha durat mesos, s’ha arribat a la conclusió que l’emissió de la radiació gravitatòria s’ha produït per la fusió de dos forats negres amb masses inicials d’unes 14 i 8 masses solars amb un desplaçament cap al roig del voltant de 0,09, cosa que vol dir, si és correcte, que la radiació ha trigat uns 1400 milions d’anys en arribar-nos. Observeu que la brillantor i la freqüència —aquí realçada amb un so— de la radiació gravitatòria arriba a un màxim durant l’últim segon de la fusió dels forats negres.

La fusió dels dos forats negres de 14 i 8 masses solars va donar un nou objecte de 21 masses solars amb la conversió d’una massa solar en energia en forma d’ones gravitatòries, part de la qual arribà a la Terra el Nadal passat.

El senyal GW151226 és més feble i té una relació senyal/soroll menor que l’anunciat el febrer passat. Tanmateix la durada del senyal ha estat molt més llarga, un segon, en comparació amb la de febrer que només durà 0.2 segons. Això vol dir que s’ha pogut captar uns 55 cicles d’oscil·lació en espiral dels dos forats negres.

El vídeo adjunt explica com la fusió de dos forats negres produeix les ones observades. El moviment en espiral s’accelera i arriba ser ser major de la meitat de la velocitat de la llum (v/c = 0.5) mentre l’energia es va emetent en forma d’ones gravitatòries.

Hem sabut també que hi ha un altre esdeveniment registrat el 12 d’octubre però amb una relació senyal/soroll baixa. Encara no està, per tant, confirmat. Es veu que LIGO, fa poc millorat, funciona i ha estat capaç de captar tres senyals en el seu primer període d’observació.

A mesura que LIGO continue funcionant i la seua sensibilitat augmente amb el temps i, que a més a més, en els anys vinents, es dispose d’altres detectors de radiació gravitatòria en Europa (Virgo), la Índia (LIGO), etc. la nostra visió del cel canviarà, sense dubte, la comprensió que tenim de l’Univers.

Més informació: Si desitgeu llegir una explicació una mica més tècnica, passeu per l’interessant article GW151226: Nueva onda gravitacional detectada por Advanced LIGO, del sempre interessant bloc La Ciencia de la Mula Francis.

Article original: GW151226: Observation of Gravitational Waves from a 22-Solar-Mass Binary. Physical Review Letters.

Imatges:
1.- Aquesta il·lustració artística mostra la fusió dels sistemes binaris de forats negre GW150914 (imatge esquerra) i GW151226 (imatge de la dreta). Els parells de forats negres es mostren conjuntament en aquesta il·lustració, però en realitat es van detectar en diferents moments, i en diferents parts del cel. Les imatges estan a escala per mostrar la diferència en la massa dels forats negres. En el cas de GW150914, els forats negres eren 29 i 36 vegades la del nostre Sol, mentre que a GW151226, els dos forats negres tenien una massa de 14 i 8 masses solars. Crèdit de la imatge: LIGO / A. Simonnet.
2.- El senyal GW151226 observat pels detectors de Hanford (columna esquerra) i Livingston (columna dreta), on els temps són relatius a les 03:38:53.648 UTC.En la primera fila es presenten els valors donats pels dos detectors, on les dades s’han filtrat. En negre es representa el millor ajust al valor de les dades.
La segona fila represent el diagrama Temps – freqüència de les dades de deformació de  GW151226 . A diferencia del senyal GW150914, el nou senyal no és fàcilment visible.
3.- Primer període observacional de LIGO. Dos senyals confirmats i una en estudi. Un gran èxit. LIGO.

Ho han aconseguit. Ahir a la vesprada l’expectació era màxima en tot el món científic per veure si era certa la filtració que finalment la darrera de les prediccions de la Teoria de la Relativitat d’Einstein s’havia acomplit.

La conferència de premsa a la seu de la National Science Fundation (NSF) a Washington DC (EUA) començà amb el parlament del director executiu de LIGO, David Reitze: Senyores i senyors, hem detectat les ones gravitatòries. Ho hem aconseguit.  Hem tardat mesos per confirmar que realment eren ones gravitatòries, però el que és veritablement emocionant és el que ve després, obrim una nova finestra a l’Univers“.

Aquí està la importància del descobriment. Finalment una nova era en l’astronomia s’obre davant nostre. Objectes molt difícils de veure com són els forats negres es faran visibles a través del seu moviment, per les pertorbacions que produeixen en el teixit de l’espai-temps. Podrem veure el mateixa essència de l’Univers. Podrem començar a comprendre com és l’Univers de veritat, veurem les ones dels objectes massius que es mouen i provoquen ones com els vaixells fan ones en la mar. En la conferència de premsa es tenia en ment aquesta idea que han arribat a comparar amb la primera observació del cel amb un telescopi per Galileo Galilei.

El 14 de setembre de 2015 a les 09:50:45 UTC, un senyal d’una durada molt curta passà quasi simultàniament (amb una diferència de 7 milisegons, confirmant que les ones viatgen a la velocitat de la llum) pels detectors del Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) situats un a Luisiana i l’altre a l’estat de Washington, estacions separades uns 3000 km. La forma del senyal no va deixar cap dubte. Era el que havien esperat tant de temps i era exactament igual al que havien mostrat les simulacions numèriques prèvies.

L’anàlisi del senyal rebut revelava que era resultat de la col·lisió violenta d’un forat negre d’unes 29 masses solars contra un altre de 26 masses solars. Aquest fet ocorregué a una distància d’uns 1300 milions d’anys llum, sembla que en la direcció del Gran Núvol de Magalhães. I l’unió dels dos forats negres en un únic forat negre va ser tan violenta que unes 3 masses solars (3 Sols!) es van convertir en energia emesa en forma d’ones gravitatòries. Tota eixa energia, capaç de distorsionar l’espai-temps, va estar emesa en una fracció de segon i ha viatjat a la velocitat de la llum durant eixos més de mil milions d’anys fins arribar a nosaltres.

Aquesta gran fita de l’astrofísica relativista que ens contaven en directe ahir de vesprada des de Washington ja ha estat publicada en la revista científica Physical Review Letters Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger. Un futur premi Nobel s’està ja coent.

El xoc dels dos forats negres i el viatge de les ones gravitatòries fins a la Terra es pot veure en el següent vídeo. És el que es mostrà en la conferència de premsa.

Ací està la frase de France Córdova, directora de la National Science Foundation, en presentar el descobriment de les ones gravitacionals ahir. Em lleve el barret i em dóna una enveja del que podríem fer per ací i no es fa..

“En 1992, quan es van aprovar els fons inicials per a LIGO, van representar la major inversió que la NSF haguera fet mai. Era un gran risc. Però la NSF és l’agència que ha de prendre aqueix tipus de riscos. Recolzem la ciència fonamental i l’enginyeria en els moments del camí cap al descobriment en els quals aqueix camí no és clar. Financem pioners. Per açò els EUA segueixen sent un líder global i avançant en el coneixement“.

Kip Thorne, cofundador de LIGO, i expert en forats negres, tornà a resaltar que LIGO representa el principi de l’astronomia d’ones gravitatòries i donat que LIGO serà tres vegades més sensible en els pròxims anys, baixarà el soroll (efectes aleatoris, pertorbacions conegudes, micro-sismes, etc…) i els detectors podran veure fenòmens no tan violents com els que acabem de detectar.

Després de la tensió dels últims mesos, es notava que la gent estava relaxada i amb ganes de fer broma. Per exemple, France Córdova li ha comentat a Kip Thorne, que també és co-guionista i assessor científic de la pel·lícula Interstellar, si a la vista d’aquests resultats farà la segona part de la pel·lícula: Interstellar 2….

En continuarem parlant.

Més informació: The “sound” of spacetime: Overview. i al bloc de Daniel Marín El nacimiento de la astronomía de ondas gravitacionales.

1.- LIGO detecta ones gravitatòries de dos forats negres en col·lisió. NSF, Aurore Simonnet (Sonoma State U.). Apod de Nasa de l’11 de febrer 2016.
2.- Esquema del descobriment. Gravitational waves, Einstein’s ripples in spacetime, spotted for first time. Science Magazine.
3.- Els dos senyals simultànis a Luisiana i Washington.
4.- France Córdova, directora de la National Science Foundation.
5.- Kip Thorne, cofundador de LIGO.