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

La colaboración LIGO-Virgo-KAGRA, en la que participa la Universidad de las Islas Baleares y otros centros españoles, ha detectado 35 nuevos eventos de ondas gravitacionales: 32 probablemente por fusiones de agujeros negros, dos por colisión entre estrellas de neutrones y agujeros negros, y finalmente uno más raro que intriga a los científicos.

Tabla que muestra las detecciones de ondas gravitacionales desde 2015, y su tipología. Los números superiores indican las masas de los objetos en el momento previo a la fusión, y el inferior la masa del objeto resultante tras la fusión. / Carl Knox / OzGrav.

La colaboración LIGO-Virgo-KAGRA acaba de publicar el mayor catálogo de colisiones entre agujeros negros y estrellas de neutrones.

Estos eventos fueron detectados gracias a que generaron ondas gravitacionales —ondulaciones en el espacio-tiempo—  por un equipo mundial de científicos que utilizan la red internacional de observatorios de ondas gravitacionales y entre los que se encuentran los miembros del grupo de investigación GRAVITY de la Universidad de las Illes Balears

La publicación añade otros 35 eventos de ondas gravitacionales desde la última actualización del catálogo

En un artículo publicado en el servidor gratuito de preimpresiones arXiv.org, las colaboraciones describen otros 35 eventos de ondas gravitacionales desde la última actualización 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 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.

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.

Dos de los 35 eventos detectados podrían ser estrellas de neutrones y agujeros negros que se fusionan, un evento mucho más raro

Este tipo de agujero negro ha sido teorizado durante mucho tiempo por los astrofísicos, y 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. 

Detección de eventos singulares

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 o mediante observaciones electromagnéticas.

Este catálogo incluye la detección de una de las estrellas de neutrones de menor masa jamás detectadas

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 aseverarlo con seguridad.

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 cinco masas solares.

Esto llevó a los científicos a teorizar que las estrellas no colapsan para formar agujeros negros en este rango, pero las nuevas observaciones de ondas gravitacionales indican que estas teorías tendrían que ser revisadas.   

Grandes progresos desde la primera detección

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

Desde la primera detección de ondas gravitacionales en 2015, el número de detecciones ha aumentado a un ritmo vertiginoso, y 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 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.

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

En el tercer ciclo de observación, los detectores de ondas gravitacionales alcanzaron el mejor rendimiento de su historia, gracias a un programa de actualizaciones y mantenimiento constantes que han aumentado su sensibilidad.

Una precisión sin precedentes

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.

Según David Keitel, investigador distinguido Beatriz Galindo y miembro del grupo GRAVITY de la UIB: “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”.

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, y en el que también participará el observatorio KAGRA japonés.

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.

Contribución española a LIGO-Virgo y sus descubrimientos

Seis grupos españoles contribuyen al estudio y análisis de las ondas gravitacionales detectadas por LIGO-Virgo, 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 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. 

En particular,  IFAE ha contribuido significativamente a la puesta a punto de Virgo en preparación para la toma de datos en O3, y mantiene responsabilidades centrales en el experimento, relacionadas con la comprensión y el control de la luz parásita dentro del interferómetro, considerado un factor limitante para su sensibilidad. Junto al PIC (centro de cálculo gestionado por IFAE en la UAB) han contribuido significativamente a las tareas de cálculo y el análisis de los datos.   

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,  Conselleria de Fons Europeus, Universitat i Cultura y la Dirección General de Política Universitaria e Investigación del Govern de les Illes Balears, Conselleria d’Innovació, Universitats, Ciència i Societat Digital de la Generalitat Valenciana, programa CERCA de la Generalitat de Catalunya, Programa Operativo FEDER Galicia 2014-2020, Xunta de Galicia, y tienen el apoyo de la Red Española de Supercomputación (RES).

Fuente: UIB
Derechos: Creative Commons.
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