Pols d'estels

Avui a Astronomy Picture of the Day, (apod.cat, versió en català), una pàgina diària de divulgació de la NASA, es parla de la col·lisió de forats negres GW190521 i la imatge que ho il·lustra és la que va proporcionar el grup de la Universitat de València, el Valencia Virgo Group. Aquesta pàgina és una de molt de prestigi arreu del món.

Com es formen els forats negres com aquest?
Els dos forats negres que es movien en espiral per produir l’esdeveniment d’ones gravitacionals GW190521 no només eren els forats negres més massius mai observats fins ara pels detectors LIGO i VIRGO, sinó que les seves masses (66 i 85 masses solars) eren inesperades i sense precedents. Se sap que els forats negres de massa inferior, per sota d’unes 65 masses solars, es formen en explosions de supernoves. En canvi, es creu que els forats negres de massa superior, per damunt de 135 masses solars, són creats per estrelles molt massives que implosionen després d’haver consumit els elements que produeixen la fusió nuclear. Encara no se sap com van arribar a existir aquests forats negres de massa intermèdia, tot i que una hipòtesi sosté que són el resultat de col·lisions consecutives d’estrelles i forats negres en densos cúmuls estel·lars.
La il·lustració mostra els forats negres just abans de la col·lisió, amb fletxes que indiquen els seus eixos de rotació. Les ones espirals indiquen la producció de radiació gravitacional, mentre que les estrelles circumdants subratllen la possibilitat que la fusió es produís en un cúmul estel·lar.
La fusió de forats negres GW190521, observada l’any passat però provinent d’una època en què l’Univers tenia només la meitat de la seva edat actual (z ~ 0,8), és la més llunyana detectada fins ara.

Els forats negres són el pal de paller de molts aspectes de l’astrofísica moderna. Poden explicar el final de la vida de les estrelles de molta massa, són un punt de connexió entre la mecànica quàntica i la Relativitat General i estan relacionats amb la creació i evolució de les galàxies espirals com la nostra Via Làctia.

Aquests monstres estel·lars, residus d’estrelles molt massives que exploten de manera espectacular com a supernova, poden xocar entre ells a milions o a milers de milions d’anys llum de distància i, per tant, aquests xocs grandiosos són moltes vegades invisibles, fins i tot,  per als nostres telescopis més potents. Però aquests xocs fan vibrar l’estructura mateixa de l’Univers, la textura de l’espai-temps, una mena de llençol immens de quatre dimensions (3 espacials, l’espai, i una temporal, el temps), tal com prediu la Relativitat General, formulada per Albert Einstein el 1915.

Aquestes vibracions, anomenades ones gravitatòries, es propaguen per tot l’Univers, primerament amb molta intensitat, i, a poc a poc, van minvant la intensitat a mesura que s’expandeixen. És el mateix que passa quan llencem una pedra a l’aigua i les ones es propaguen per tot l’estany i l’amplitud de l’ona va minvant a mesura que s’allunya del punt d’impacte fins que arriba a la costa una ona minúscula.

Des de fa uns pocs anys disposem d’uns meravellosos instruments capaços de detectar i mesurar, quan arriben a la Terra, aquestes infinitesimals variacions de l’espai-temps, les ones gravitatòries. Aquests detectors (LIGO en Estats Units i Virgo en Europa) són capaços de mesurar variacions de la textura de l’Univers de la dècima part de la grandària d’un protó!

Els científics d’aquests observatoris d’ones gravitatòries LIGO i Virgo van anunciar ahir  la detecció de les vibracions causades per la col·lisió de dos forats negres de 66 i 85 masses solars que formaven un sistema orbital lligat binari i com a resultat del xoc van generar un forat negre final d’unes 142 masses solars. El forat negre resultant és el més massiu mai detectat amb ones gravitatòries. Se situa en un rang de masses en el qual un forat negre no ha sigut mai observat abans, ni a través d’ones gravitatòries ni amb observacions telescòpiques. El fet va ocórrer a uns 11 mil milions d’anys llum de nosaltres quan l’Univers encara era molt jove.

Cal destacar un fet que segurament us haurà passat per alt. La suma dels dos forats negres (66 + 85) dóna 151 masses solars. I el forat negre resultant té només 142 masses solars. On ha ant a parar la massa que falta? Efectivament 9 masses solars s’han convertit en l’energia de les ones gravitatòries. La formació del monstre final va durar 0,1 segons així que en una dècima de segons es volatilitzaren 9 masses solars. Això sí que és consum d’energia.

Els forats negres es creen com a resultat explosiu com a supernova d’un estel massiu al final de la seua vida.  La massa màxima d’una estrella és d’unes 120 masses solars. Durant l’explosió supernova s’expulsa gran part de la massa i el que queda col·lapsat al nucli formarà una estrella de neutrons o un forat negre. Els models preveuen masses dels forats negres creats d’un màxim de 20 masses solars. Models més moderns basats en observacions d’ones gravitatòries preveuen valors màxims de la massa d’un forat negre d’unes 50 masses solars. Per tant, com és possible que existeixen forats negres de 66 o 85 masses solars? Quin és el seu origen?

Aquest és el misteri que desconcerta els astrofísics. Quin és el mecanisme que pot produir monstres tan grossos? Algun procés encara desconegut? Aquesta és la meravella de la ciència. Quan creus que ho saps tot, t’ix una observació que et trau de la zona de confort. Ara hi ha feina per a un temps per a un grapat de científics per explicar-ho.

Aquesta és una versió senzilla de l’article que vaig publicar ahir. Sóc conscient que he simplificat molt i he abusat dels exemples. Demane disculpes per això. L’important és remarcat el fet que coneixem encara ben poc dels forats negres.

Imatges;

2.- Cicle de vida d’un estel massiu. De astronomyonline.org/Stars/HighMassEvolution.asp

Els científics dels observatoris d’ones gravitatòries LIGO i Virgo han anunciat la detecció d’un sistema binari extraordinàriament massiu en el que s’han fusionat dos forats negres de 66 i 85 masses solars que van generar un forat negre final d’unes 142 masses solars. El forat negre romanent és el més massiu mai detectat amb ones gravitatòries. Se situa en un rang de masses en el qual un forat negre no ha sigut observat mai abans, ni a través d’ones gravitatòries ni amb observacions telescòpiques, i podria ajudar a explicar la formació de forats negres supermassius de milions de masses solars que trobem al centre de moltes galàxies com la nostra. A més, els dos forats negres inicials, si van sorgir del col·lapse final d’estrelles amb resultat de supernova, se situen en un rang de masses en el qual la seua existència es considera, en teoria, impossible, i podria per tant ajudar a millorar la nostra comprensió sobre les etapes finals de la vida de les estrelles massives. En definitiva, aquests forats negres van existir però no sabem com era possible que existiren segons el que coneixem.

Els forats negres es creen com a resultat explosiu com a supernova d’un estel massiu.  La massa màxima d’una estrella és d’unes 120 masses solars. Durant l’explosió s’expulsa gran part de la massa i el que queda col·lapsat al nucli formarà una estrella de neutrons o un forat negre. Els models preveuen masses dels forats negres creats d’un màxim de 20 masses solars. Models més moderns basats en observacions d’ones gravitatòries preveuen valors màxims de la massa d’un forat negre d’unes 50 masses solars. Per tant, com és possible que existeixen forats negres de 66 o 85 masses solars? Quin és el seu origen?

La comunitat científica de les col·laboracions internacionals que treballen amb el detector Advanced Virgo en l’Observatori Gravitatori Europeu (EGO, de les seues sigles en anglés), a Itàlia, i amb els dos detectors Advanced LIGO, als EUA, han anunciat la detecció d’un forat negre d’unes 142 masses solars, 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 sigut observat mai abans, ni a través d’ones gravitatòries ni amb observacions telescòpiques. El forat negre final és el més massiu mai detectat amb ones gravitatòries. L’esdeveniment d’ones gravitatòries 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 11 mil milions d’anys llum de la Terra. Dos articles científics que informen sobre el descobriment i les seues implicacions astrofísiques han sigut publicats hui en Physical Review Letters i en Astrophysical Journal Letters respectivament.

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 d’aquesta detecció 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’interés 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 (la Via Làctia en té un de 4 milions de masses solars), podrien sorgir de la fusió de forats negres de massa intermèdia “més menuts”.

Fins hui, molt pocs candidats a forats negres de massa intermèdia han sigut identificats únicament a través d’observacions telescòpiques i l’objecte final creat en l’esdeveniment GW190521 és la primera observació d’un forat negre de massa intermèdia via ones gravitatòries. És d’un interés encara major el fet que aquesta detecció es trobe en el rang 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 obri la porta a descobrir molts més possibles efectes astrofísics nous”, comenta Thomas Dent, coordinador del programa d’ones gravitatòries en l’Instituto Galego de Física de Altas Enerxías (IGFAE) i membre de la Col·laboració Científica LIGO. “Ha sigut 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 d’investigacions addicionals i amb deteccions futures amb les quals comparar.”

“Estic molt orgullosa de la gran implicació dels grups LIGO-Virgo espanyols amb aquest nou esdeveniment, amb tota l’activitat desenvolupada al llarg de molts mesos, incloent tasques de gran responsabilitat, i les expectatives que aquest nou descobriment està generant entre els científics de camps afins”, assenyala Alicia 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 d’Hong Kong i anteriorment membre de la UIB), han sigut membres de l’equip editorial d’aquests articles; Sascha Husa i David Keitel, tots dos del IAC3-UIB han sigut revisors interns dels resultats obtinguts.”

Les components i la dinàmica del sistema binari coalescent GW190521 ofereix extraordinàries perspectives astrofísiques. El més massiu dels dos forats negres fusionats és major que qualsevol forat negre observat fins ara per LIGO i Virgo i fins i tot el més lleuger dels forats negres 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 estreles més massives, al final de les seues 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”, deixant 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 obri noves perspectives en l’estudi de les estrelles massives i els mecanismes de les supernoves.

“Diversos escenaris 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 menuts o de la col·lisió de (múltiples) estrelles massives, o fins i tot de processos més exòtics”, afig Michela Mapelli de la Universitat de Padova i el INFN, i membre de la Col·laboració Virgo. “No obstant això, és també possible que hàgem 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 sigut observades mai abans o que són inesperades i, en això, planteja noves i intrigants preguntes sobre els mecanismes de formació. Malgrat la duració inusualment curta del senyal, que limita la nostra capacitat per a 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 en el IJCLab en Orsay (França) i membre de la Col·laboració Virgo. “L’efecte és feble i no podem afirmar que siga present de manera categòrica, però, si fóra 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 sigut 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 seua exhaustiva revisió per les col·laboracions ha necessitat d’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 precesió 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. Estem treballant per a incloure aquest efecte abans que LIGO i Virgo observen més senyals, amb l’ajuda del supercomputador Mare Nostrum, un dels més ràpids ordinadors a Europa”, assenyala Sascha Husa (UIB).

Diversos possibilitats diferents són encara compatibles amb els resultats mostrats i fins i tot no ha sigut descartada la hipòtesi que els progenitors de la fusió puguen ser forats negres primordials. Estimem realment que aquesta fusió es va produir a una distància d’uns 11 mil milions d’anys llum (tècnicament la distància de lluminositat de la font és de 5.3 _-2.6 ^+2.4 Gpc, que corresponen un corriment al roig de 0.82^+0.28_−0.34)

Respecte a les deteccions anteriors d’ones gravitatòries, el senyal GW190521 observat va tindre una duració temporal molt curta (0,1 segons) i és, per tant, molt més difícil d’analitzar. A causa de la naturalesa més complexa del senyal, altres fonts més exòtiques han sigut també considerades, i aquestes possibilitats estan descrites en una publicació complementària. No obstant això, són menys probables enfront de la possibilitat que la font siga una fusió d’un sistema binari de forats negres.

“A causa de la baixa freqüència del senyal GW190521, el “refilet” previ a la col·lisió, característic de les deteccions anteriors, no és tan visible en els detectors”, afig José Antonio Font de la Universitat de València (UV) i membre de la Col·laboració Virgo. “El refilet es pot reduir de manera eficient a causa de la precesió del pla orbital, però també hi ha altres situacions, potser menys probables, on s’observa el mateix efecte, com en col·lisions amb excentricitat significativa. El treball conjunt realitzat per Nicolás Sanchis Gual i Alejandro Torres Forné del grup Virgo a València, i Juan Calderón Bustillo, recolzat en simulacions numèriques i inferència estadística, revela que podria haver-hi una certa confusió quant a la mena de sistema que ha produït aquest senyal.”

“La col·laboració entre el dissenyador gràfic valencià Raúl Rubio i el grup Virgo a València ha fet possible la producció de material de difusió que il·lustra aquest descobriment”, apunta Isabel Cordero Carrión, de la UV i membre de la Col·laboració Virgo.

A l’estat espanyol cinc grups estan contribuint a l’astronomia d’ones gravitatòries 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’Instituto Galego de Física de Altas Enerxías (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.

Una informació més tècnica pot llegir-se en aquest article

GW190521: La colisión de agujeros negros más masiva observada hasta la fecha. Ligo-Virgo Collaboration.

Fa uns dies els científics que controlen els detectors d’ones gravitatòries Virgo i LIGO anunciaren el descobriment d’un objecte compacte d’unes 2,6 masses solars, estant, per tant, en un interval entre l’estrella de neutrons més massiva i el forat negre més lleuger mai vist. En el fenomen observat ara, i que va ocórrer fa uns 800 milions d’anys,  aquest objecte misteriós es va fusionar amb un forat negre de 23 masses solars i, en fer-ho, va emetre una intensa ona gravitatòria. Atès que l’observació aïllada d’aquesta ona, que es va detectar a la Terra l’agost de 2019, no ens permet distingir si l’objecte compacte és un forat negre o una estrella de neutrons, la seua natura exacta continua sent un misteri.

Durant molt de temps, la comunitat astronòmica ha estat desconcertada per la manca d’observacions d’objectes compactes amb masses en l’interval des de 2,5 fins a 5 masses solars. Aquesta misteriosa zona grisa es coneix com el “buit en la distribució de masses“: un interval de masses aparentment massa petites per a un forat negre i massa grans per a una estrella de neutrons. Tant les estrelles de neutrons com els forats negres es formen quan estrelles molt massives esgoten el seu combustible nuclear i exploten com a supernoves. El que queda després de l’explosió depèn de la quantitat que roman del nucli de l’estrella. Els nuclis menys massius tendeixen a formar estrelles de neutrons, mentre que els més massius col·lapsen en forats negres. Entendre si hi ha un buit en la distribució de masses en l’interval esmentat, i per què, ha estat un enigma durant molt de temps per als científics.

El problema rau en el fet que un estel de neutrons té un interval de masses possibles a causa de diverses condicions físiques. Per això, un estel de neutrons té una massa de com a mínim 1,1 masses solars (M_☉) mentre que el límit superior de la massa d’un estel de neutrons ve donat teòricament pel limit Tolman–Oppenheimer–Volkoff i és generalment d’uns 2,1 M_☉. Tanmateix estudis recent posen el límit una mica més alt, fins a 2.16 M_☉. De fet, la màxima massa observada és d’uns 2,14 M_☉ per a l’objecte PSR J0740+6620 descobert en setembre del 2019. Ara, si l’objecte misteriós és realment un estel de neutrons, caldrà repensar aquestes previsions o bé cercar un altre candidat totalment desconegut.

Les col·laboracions científiques que operen el detector Advanced Virgo a l’Observatori Gravitatori Europeu (EGO, per les sigles en anglès), prop de Pisa a Itàlia, i els dos Advanced LIGO, als Estats Units, han anunciat la descoberta d’aquest objecte d’unes 2,6 masses solars, és a dir, situat dins de l’anomenat “buit en la distribució de masses “, qüestionant així que aquest buit d’objectes realment existira. La natura de l’objecte continua sent un misteri, ja que aquesta observació d’ones gravitatòries per si sola no permet distingir si es tracta d’un forat negre o d’una estrella de neutrons. Fa uns 800 milions d’anys, l’objecte estrany es va fusionar amb un forat negre de 23 masses solars i, en fer-ho, va generar un forat negre final d’unes 25 vegades la massa del Sol. La fusió va emetre una intensa ona gravitatòria (la diferència de les masses abans i després de la fusió, d’unes 0,6 masses solars, convertides en energia) que els tres instruments de la xarxa van detectar el 14 d’agost de 2019, i, per tant, s’ha etiquetat com a GW190814. El descobriment s’acaba de publicar en la revista The Astrophysical Journal Letters.

Una peculiaritat d’aquest esdeveniment és que la fusió mostra la proporció més inusual entre masses d’un sistema de dos estels registrat fins a la data. La massa més gran és aproximadament 9 vegades més massiva que la massa menor.

“L’anàlisi de la majoria de senyals anunciats per LIGO i Virgo fins a la data ha transcorregut sense grans sobresalts ja que les masses involucrades han facilitat la identificació precisa del tipus d’objectes“, comenta José Antonio Font, coordinador del grup Virgo a València. “Afortunadament, amb GW190814, com també va passar en part amb GW190425, entrem en un terreny on les conclusions ja no són tan senzilles. Aquest és un senyal apassionant que qüestiona les nostres idees sobre la formació dels objectes compactes. Benvingut siga! ”

El senyal associat a una fusió tan inusual va ser clarament detectat pels tres instruments de la xarxa LIGO-Virgo, amb una relació global senyal-soroll de 25. Gràcies principalment al retard entre els temps d’arribada del senyal en els detectors, és dir, els dos Advanced LIGO als EUA i l’Advanced Virgo a Itàlia, la xarxa de 3 detectors va ser capaç de localitzar l’origen de la font que va generar l’ona en uns 19 graus quadrats.

“La identificació de nous tipus de senyals com GW190814 es basa en la millora contínua dels models teòrics de formes d’ona “, afegeix l’investigador Sascha Husa, de la Universitat dels Illes Balears (UIB). “El grup UIB ha contribuït al desenvolupament d’alguns dels models utilitzats per a aquest esdeveniment, per als quals l’ús de la supercomputadora més gran d’Espanya, Mare Nostrum, ha estat essencial.”

Quan els científics de LIGO i Virgo van detectar aquesta fusió, immediatament van enviar un avís a la comunitat astronòmica. Molts telescopis terrestres i espacials van fer un seguiment a la recerca de llum i d’altres ones electromagnètiques, però, a diferència de la famosa fusió de dues estrelles de neutrons detectada a l’agost de 2017 i que van donar lloc a l’anomenada astronomia multi-missatger, en aquest cas no es va recollir cap senyal.

Thomas Dent, coordinador del programa d’ones gravitatòries a l’Institut Gallec de Física d’Altes Energies (IGFAE), assenyala que “GW190814 mostra novament el potencial de la xarxa global de detectors per localitzar aquests misteriosos esdeveniments còsmics a l’espai amb més precisió, amb l’objectiu de buscar qualsevol emissió de llum o d’altres partícules. Estem millorant contínuament els mètodes per a la detecció i el seguiment de les fonts d’ones gravitatòries a mesura que la xarxa va ampliant-se.”

Segons els científics de Virgo i LIGO, l’esdeveniment d’agost de 2019 no va ser vist en el espectre electromagnètic per diverses raons probables. En primer lloc, aquest esdeveniment estava sis vegades més lluny que GW170817, cosa que dificulta la detecció de qualsevol senyal electromagnètic. En segon lloc, si la col·lisió va involucrar dos forats negres, probablement no hi va haver cap emissió en l’espectre electromagnètic. En tercer lloc, si l’objecte més petit del sistema va ser, de fet, un estel de neutrons, el seu company forat negre 9 vegades més massiu podria haver-se’l engolit sencer; un estel de neutrons engolit completament per un forat negre no produiria cap emissió electromagnètica.

“Gràcies a les millores a l’observatori Virgo/EGO, en les tècniques d’anàlisi de dades i en els models dinàmics astrofísics, àrees on l’Institut de Ciències del Cosmos de la Universitat de Barcelona (ICCUB) té un paper rellevant, esperem poder detectar més esdeveniments com GW190814 que ens permeten entendre la natura exacta d’aquests intrigants objectes astrofísics“, explica Jordi Portell, coordinador del grup Virgo al ICCUB.

La identitat de l’objecte detectat el 14 d’agost de 2019 continua sent un misteri.

A més de posar a prova el nostre enteniment de l’evolució estel·lar i de la producció d’estrelles de neutrons i forats negres en el buit de masses, la raó peculiar entre les masses del sistema binari i el fet de ser l’esdeveniment d’ones gravitatòries millor localitzat en el cel fins a la data sense contrapartida electromagnètica, ha permès dur a terme nous tests de la teoria de la gravetat i una nova mesura de la constant de Hubble, compatible amb aquella obtinguda mitjançant l’esdeveniment GW170817.

“L’esdeveniment GW190814 és un bon exemple de com les ones gravitatòries tenen el potencial de canviar radicalment el nostre coneixement del cosmos tant a nivell astronòmic com a nivell de física fonamental“, declara Mario Martínez, coordinador del grup Virgo a l’Institut de Física d’Altes Energies (IFAE) de la Universitat Autònoma de Barcelona. “Les dades acumulades pels interferòmetres LIGO i Virgo ara i en els propers anys amb una major sensibilitat hi contribuiran.”

Futures observacions amb Virgo, LIGO i possiblement altres telescopis podran detectar esdeveniments similars i ajudar-nos a respondre les nombroses preguntes que ha plantejat la detecció de GW190814.

Cinc grups a l’estat espanyol estan contribuint a l’astronomia d’ones gravitatòries 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, a la Universitat dels Illes Balears (UIB) i a l’Institut Gallec de Física de Altes Energies (IGFAE) de la Universitat de Santiago de Compostel·la (USC), formen part de la Col·laboració Científica LIGO (EEUU); mentre que la Universitat de València (UV), l’Institut de Ciències del Cosmos de la Universitat de Barcelona (ICCUB) i l’IFAE de la Universitat Autònoma de Barcelona són membres de Virgo (Europa).

Més informació: “El curioso caso de GW190814: la fusión de un agujero negro de masa estelar y un objeto compacto misterioso”

Imatges. Col·laboració Virgo i LIGO.

Per primera vegada, els científics han detectat de forma directa i simultània ones gravitatòries – ondulacions en l’espai-temps – i la llum provinent d’una col·lisió espectacular de dues estrelles de neutrons. Això constitueix la primera vegada que d’un esdeveniment còsmic observat en ones gravitatòries, s’ha descobert al mateix temps la seua contrapartida òptica i la radiació d’alta freqüència emesa. D’aquesta manera, finalment, hem pogut “veure” exactament d’on provenen els senyals observats. A més s’ha pogut explicar l’origen dels metalls pesats com l’or.

El descobriment ha estat realitzat utilitzant l’Observatori d’Ones Gravitatòries per Interferometria Làser (LIGO, per les sigles en anglès) situat als EUA, el detector Virgo situat a Europa, i uns 70 observatoris terrestres, 7 d’ells espacials. La coordinació mundial de milers de científics durant setmanes per monitoritzar el mateix fenomen ha permès aquest resultat espectacular.

El 17 d’agost de 2017, astrònoms de tot el món van ser avisats d’una observació d’ones gravitatòries registrada pels detectors LIGO avançat i per Virgo avançat. Aquest esdeveniment d’ones gravitatòries, conegut ara com GW170817, semblava ser el resultat de la fusió de dues estrelles de neutrons. La idea era captar en els primers moments els senyals emesos per la font astrofísica utilitzant telescopis capaços de recollir llums de longituds d’ona diferent, des d’ones de ràdio fins a raig gamma, passant per les ones de llum visibles.

Ondulacions de la gravetat, esclats de llum (4:17)

El 17 d’agost de 2017, LIGO) i Virgo van detectar, per primera vegada, ones gravitatòries a partir de la col·lisió de dues estrelles de neutrons. L’esdeveniment no només va ser “escoltat” en ones gravitatòries, sinó que també es va veure la llum captada per dotzenes de telescopis a terra i a l’espai. (Crèdit: LIGO-Virgo)

Menys de dos segons després del senyal GW170817, el satèl·lit Fermi de la NASA va observar un esclat de raigs gamma, conegut ara com GRB170817A, i en els minuts següents a aquestes deteccions inicials, desenes de telescopis al voltant del món van començar una extensa campanya d’observació.

El telescopi Swope a Xile va ser el primer a informar sobre una font òptica brillant (SSS17a) en la galàxia NGC 4993 i altres grups addicionals van detectar de forma independent el mateix senyal transitori durant els següents minuts i hores. Durant les setmanes següents, els astrònoms van observar aquesta galàxia amb instruments sensibles en tot l’espectre electromagnètic. El conjunt d’aquestes observacions proporcionen ara una visió exhaustiva d’aquest esdeveniment cataclísmic començant aproximadament 100 segons abans de la fusió dels estels de neutrons fins a diverses setmanes després. Les observacions avalen la hipòtesi que dos estels de neutrons es van fusionar en la galàxia NGC 4993, situada a 130 milions d’anys llum de distancia – produint ones gravitatòries, un esclat de raigs gamma de curta durada i una kilonova. L’esdeveniment GW170817 marca una nova era en l’astronomia de multi-missatgers, on el mateix esdeveniment és observat amb ones gravitatòries i electromagnètiques.

Els estels de neutrons són els estels més petits i densos coneguts. D’una massa d’una estrella mitjana, el seu diàmetre és d’uns 20 km. Per això són tan densos que una sola cullereta de café de la seua matèria pesa mil milions de tones.

Es formen quan estrelles més massives exploten en forma de supernoves. Quan dues estrelles de neutrons orbiten una al voltant de l’altra, el sistema perd energia en forma d’ones gravitatòries i, per tant les dues estrelles orbiten de forma espiral estant condemnades a unir-se de forma catastròfica després de mil·lennis. En el cas observat, a mesura que l’òrbita de les dues estrelles de neutrons girava en forma d’espiral, el sistema binari emetia ones gravitatòries que van ser detectades durant uns 100 segons abans del col·lapse. Al xocar, amb una velocitat prop de la tercera part de la velocitat de la llum, es va emetre un gran esclat de llum en forma de raigs gamma observat a la Terra uns dos segons després de la detecció de les pròpies ones gravitatòries.

En els dies i setmanes posteriors a la col·lisió, altres formes de llum o radiacions electromagnètiques – incloent raigs X, ultraviolada, òptica, infraroja i ones de ràdio – van ser també detectades. Les observacions han donat als astrònoms una oportunitat sense precedents per a investigar la col·lisió de dues estrelles de neutrons. Per exemple, les observacions realitzades per l’observatori Gemini d’Estats Units, l’European Very Large Telescope i el Hubble Space Telescope revelen traces de materials recentment sintetitzats, incloent or i platí, desxifrant el misteri no resolt durant dècades sobre on es produeixen aproximadament la meitat de tots els elements químics més pesats que el ferro.

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. Enhorabona als dos grups.

LIGO i Virgo detecten per primera vegada ones gravitacionals procedents d’una col·lisió d’estels de neutrons, Universitat de València.

Nota de premsa, Valencia Virgo Group.

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.

Les ones gravitatòries – ones de l’espai-temps causades pel moviment d’objectes densos com ara estels de neutrons binaris — són la darrera de les prediccions de la teoria de la Relativitat d’Einstein que encara queda per confirmar. 100 anys després de la predicció d’Albert Einstein, la seua detecció directa encara no s’ha aconseguit. Això és fins ara, ja que sembla que demà dijous els científics de l’experiment LIGO oferiran una roda de premsa en la National Science Foundation (Washington, EUA) i, potser, confirmen que les ones gravitatòries causades per un gran col·lapse còsmic han travessat el seu detector i ha deixat un senyal ben visible.

El vídeo mostra de manera molt didàctica que són les ones gravitatòries. Els físics Umberto Cannella i Daniel Whiteson expliquen que són i per què causen arrugues en l’estructura de l’espai-temps, com funciona el detector LIGO i com la detecció d’aquestes ones tan dèbils i esquives obrirà la porta a una nova astronomia: l’astronomia gravitatòria.

Avui dijous 11 de febrer a les 16:30, hora catalana, podrem seguir en streaming, en directe, la conferència de premsa dels científics de Caltech, MIT i la Col·laboració Científica LIGO.

L’enllac per veure-ho en directe és aquest:

LIGO Update on the search for Gravitational Waves

Només cal posar nom i lloc per questions estadistiques.

També es pot veure a través de Youtube

https://youtu.be/zyo4DFr4D4I

En les últimes setmanes s’han succeït els rumors sobre una possible detecció d’ones gravitatòries. En particular, s’ha filtrat que el senyal detectat correspon a la radiació emesa durant la col·lisió de dos forats negres en un sistema binari, i que la detecció té una confiança estadística superior a 5 sigma. D’ací poc en sabrem més.

Fa uns mesos ja parlarem de les ones gravitatòries i la seua detecció al nostre programa de ràdio Ecos del Cosmos amb un expert en el tema, José A. Font.

El Grup de Relativitat i Gravitació de la Universitat de les Illes Balears és un dels grups pioners a l’estat en l’estudi de les ones gravitatòries. Col·labora amb el detector LIGO.

Té una sèrie de videos i jocs educatius per fer entendre que són aquestes ones i la importància del seu descobriment.

Imatge:

1.- Animació en dues dimensions de les ones gravitacionals generades per dues estrelles de neutrons que orbiten entre si. Viquipèdia, Wikimedia Commons.

2.- Sala de control de LIGO.