Agujeros negros de todas las formas y tamaños en un nuevo catálogo de ondas gravitacionales

En diversos artículos publicados el lunes 8 de noviembre en el servidor gratuito de preimpresiones arXiv.org, las colaboraciones describen 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.

El grupo de la UIB ha participado en la Colaboración científica LIGO desde su fundación, y ha contribuido directamente al análisis de varias de estas últimas detecciones utilizando recursos de supercomputación españoles.

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 Interferometría Láser (LIGO), en los Estados Unidos, y el detector avanzado Virgo, en Italia.

Los datos de estos tres detectores han sido cuidadosamente analizados por un equipo internacional de científicos de la Colaboración científica LIGO, la Colaboración Virgo y la Colaboración KAGRA. Los grupos de investigación españoles contribuyen tanto a LIGO como a Virgo.

¿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 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 solo 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 masa baja (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 o mediante 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.

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 de 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. Los científicos han deducido que lo más probable es que se trate de un agujero negro, pero no pueden estar totalmente seguros. 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 masiva que puede ser una estrella de neutrones antes de colapsar para formar un agujero negro es de 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.

Progreso monumental gracias a los detectores de precisión y la ciencia de los datos

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 como para medirlas.

Desde la primera detección de ondas gravitacionales en 2015, el número de detecciones ha aumentado a un ritmo vertiginoso. En cuestión de pocos años, los científicos especializados en ondas gravitacionales han 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.

La identificación de señales en los datos del detector requiere un análisis cuidadoso para distinguir las ondas gravitacionales reales del ruido. A medida que aumenta la tasa de detecciones de ondas gravitacionales, los científicos también han mejorado sus técnicas para filtrar la información astrofísica de los datos registrados por los detectores. El creciente catálogo de observaciones permite a los astrofísicos estudiar las propiedades de los agujeros negros y las estrellas de neutrones con una precisión sin precedentes.

David Keitel, investigador distinguido Beatriz Galindo y miembro del grupo GRAVITY de la UIB, manifiesta: «Ahora que estamos detectando docenas de estos eventos, podemos aprender mucho más sobre el universo que a partir de detecciones individuales: medir la velocidad a la que se está expandiendo, estudiar las poblaciones de agujeros negros y estrellas de neutrones que hay y poner a prueba la relatividad general de Einstein.»

Contribuciones del grupo GRAVITY de la UIB

Investigadores y estudiantes del grupo GRAVITY de la Universidad de las Illes Balears han contribuido directamente a la decodificación de las señales para identificar las propiedades de las fuentes de los nuevos eventos de ondas gravitacionales detectados, como sus masas o su distancia.

El grupo ha utilizado el superordenador MareNostrum4 del Barcelona Supercomputing Center (BSC), apoyado por la subvención AECT-2021-2-0021 de la Red Española de Supercomputación (RES), con 9,75 millones de horas de computación para acelerar el análisis computacionalmente costoso de algunos de los eventos más difíciles detectados hasta ahora. Entre ellos se encuentran dos posibles candidatos a estrella-agujero negro, de los que se informa aquí por primera vez.

Según Marta Colleoni, investigadora de la UIB, que ha dirigido estas simulaciones, «MareNostrum4 ha sido uno de los recursos computacionales clave en el análisis de los datos de ondas gravitacionales para el último catálogo».

Uno de los dos modelos teóricos utilizados en este tipo de análisis ha sido la última generación de modelos fenomenológicos de ondas, que ha sido desarrollada durante los últimos cuatro años por el grupo de la UIB en un proyecto liderado por Sascha Husa (con varias publicaciones en revistas internacionales como Physical Review D). El profesor Husa afirma que «desarrollar un modelo teórico de las señales que se ha utilizado para analizar cada una de las señales de ondas gravitacionales detectadas hasta la fecha ha sido una contribución profundamente satisfactoria para la ciencia de las ondas gravitacionales, y también ha sido muy satisfactorio trabajar junto a jóvenes investigadores y ayudarles a dejar su huella en el campo. Pero no podemos detenernos aquí. Nuestra descripción teórica de las señales tiene que estar a la altura de los detectores, cada vez más sensibles, para no limitar lo que podemos aprender de los datos registrados por los detectores».

El grupo de la UIB también ha contribuido directamente en el emplazamiento del detector, ya que el estudiante de doctorado Rodrigo Tenorio ha pasado varios meses en el Observatorio LIGO Hanford, ayudando a caracterizar el ruido de los detectores.

El futuro del campo

Los observatorios LIGO y Virgo están siendo mejorados antes del cuarto periodo de observación, que se espera que comience en la segunda mitad del próximo año.

El observatorio KAGRA, en Japón, también se unirá al próximo periodo de observación. 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 del próximo periodo 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.

Alicia Sintes está emocionada con lo que el futuro nos depara este campo emergente de la astronomía de ondas gravitacionales. Sintes comenta que: «La generación actual de instrumentos ha marcado el inicio de una nueva era en astronomía, pero solo estamos observando la punta del iceberg. Estamos investigando solo una parte muy pequeña del universo. De cara al futuro, el telescopio Einstein, incluido recientemente en la hoja de ruta del Foro Estratégico Europeo sobre Infraestructuras de Investigación (ESFRI), será un detector de ondas gravitacionales de tercera generación en Europa con una sensibilidad muy mejorada, y la misión espacial LISA de la ESA permitirá extender las observaciones a regímenes de frecuencia y poblaciones de fuentes completamente nuevas. Nuestro grupo de la UIB está involucrado en ambos proyectos que serán capaces de observar millones de eventos al año. Estos permitirán hacer astronomía gravitacional de gran precisión, explorar la magia del cosmos y descubrir nuevos fenómenos».

El grupo GRAVITY de la UIB y la contribución española

El grupo GRAVITY de la UIB es miembro del Instituto de Aplicaciones Computacionales de Código Comunitario (IAC3) de la UIB y del Instituto de Estudios Espaciales de Cataluña (IEEC). Tiene el apoyo del Ministerio de Ciencia e Innovación (PID2019-106416GB-I00/MCIN/AEI/ 10.13039/501100011033), la Consejería de Fondos Europeos, Universidad y Cultura, y la Dirección General de Política Universitaria e Investigación del Gobierno de las Illes Balears, con fondos de la Ley de Impuestos de Estancias Turísticas (ITS2017-006, PRD2018/24), el Fondo Social Europeo, el Fondo Europeo de Desarrollo Regional, la Consejería de Innovación, Universidades, Ciencia y Sociedad Digital de la Generalitat Valenciana (PROMETEO/2019/071), de la Red Española de Supercomputación (RES) y PRACE. Además, participa en las redes Consolider Multidark (FPA2017-90566-REDC) y Centro Nacional de Física de Partículas, Astropartículas y Nuclear (CPAN- FPA2017-90687-REDC), la red estratégica RED2018-102573-E, la red de excelencia: Red Nacional de Astropartículas (RENATA- RED2018-102661-T) y en varias COST Actions de la Unión Europea (CA18108, CA17137, CA16214 y CA16104).

Desde el siguiente enlace se puede consultar la lista completa de investigadores de la UIB que participan en la Colaboración LIGO: https://roster.ligo.org/roster.php?do=roster&search=group&target=1.

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 del detector para los períodos de observación actuales y futuros. Dos grupos, en la Universidad de las Illes Balears (UIB) y el Instituto Galego de Física de Altas Enerxías (IGFAE) de la Universidad 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.