El Departament d’Astronomia i Astrofísica (DAA) de la Universitat de València, que dirigeix José Antonio Font, participa activament en la modelització numèrica de fonts astrofísiques i cosmològiques de radiació gravitatòria, a través dels grups de recerca ‘Computational Astrophysics and Cosmology’ (COMPAC) i ‘Computer aided modeling of astrophysical plasma’ (CAMAP). La detecció d’ones gravitatòries, anunciada aquest dijous a Washington és el resultat d’una col·laboració internacional multidisciplinar.
Entre els resultats més rellevants dels grups COMPAC i CAMAP es pot esmentar l'obtenció d'un catàleg de radiació gravitatòria de col·lapse estel·lar rotacional, utilitzat per grups d'anàlisis de dades dels detectors interferomètrics a fi de dissenyar filtres i mètodes per facilitar la detecció. També s'han obtingut patrons de radiació de col·lapse rotacional magnetitzat a estels de neutrons o de la formació de forats negres en el model col·lapsar d'erupcions de rajos gamma.
Investigadors dels grups esmentats estudien, a més, la radiació gravitatòria emesa en la col·lisió d'estels de neutrons en sistemes binaris, en discs d'acreció al voltant de forats negres, en pulsacions d'estels relativistes en rotació, i en la col·lisió de galàxies. Membres del DAA formen part de la Red Temática de Ondas Gravitacionales "Redongra" finançada pel MINECO, juntament amb altres 8 universitats nacionals, entre les quals es troba la Universitat de les Illes Balears, l'única universitat nacional que participa en la LSC i amb dos representants entre els autors de l'article que detalla el descobriment. També pot assenyalar-se que el director del DAA és membre electe de la Junta Directiva de VESF (Virgo-EGO Scientific Forum), fòrum constituït per al desenvolupament científic al voltant de l'interferòmetre Virgo.
Aquest dijous, 11 de febrer, a les 16:30 hora local, representants de la col·laboració científica LSC (de les sigles en anglès LIGO Scientific Collaboration; LIGO és al seu torn l'acrònim de Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory), reunits en la seu de la National Science Foundation (Washington, EUA), van anunciar la detecció d'ones gravitatòries, un assoliment científic sense precedents. La senyal detectada procedeix de la col·lisió de dos forats negres de 29 i 36 masses solars. Durant la col·lisió, 3 masses solars van ser emeses en ones gravitatòries.
L'anunci de la detecció ha coincidit amb la publicació de l'article científic en Physical Review Letters. Amb aquesta detecció no només es confirma, després de dècades de recerca, l'existència de la radiació gravitatòria sinó que, a més, es confirma també la pròpia existència dels forats negres. No sembla exagerat dir que podem estar davant el descobriment del segle.
Salvant les distàncies, temporals i tecnològiques, el descobriment anunciat ahir és comparable a les primeres observacions astronòmiques de Galileu, en 1609, amb un telescopi fabricat per ell mateix. Eixes observacions van canviar la nostra visió del món i van merèixer ser commemorades amb la proclamació (per part de la UNESCO) de l'any 2009 com l'Any Internacional de l'Astronomia.
Les ones gravitatòries van ser predites per Albert Einstein en la seua Teoria General de la Relativitat, de la publicació de la qual es compleix enguany el seu primer centenari. Aquestes ones s'interpreten com a ondulacions del teixit de l'espai-temps generades en escenaris astrofísics i cosmològics en els quals conflueixen tant dinàmiques violentes, amb velocitats comparables a la de la llum, com a camps gravitatoris ultraintensos, en els quals l'acceleració de la gravetat és milers de milions de vegades major que en la superfície del nostre Sol (que, al seu torn, és mil vegades major que en la superfície terrestre).
Per extremes que semblen, aquestes condicions es donen de manera habitual en escenaris caracteritzats per la presència dels denominats objectes compactes, tals com les nanes blanques, els estels de neutrons i, en particular, els forats negres, tant els de origen estel·lar com els forats negres supermassius existents en el nucli de galàxies.
La detecció anunciada ahir s'ha aconseguit utilitzant un dispositiu experimental denominat interferòmetre de Michelson-Morley, que utilitza la propietat física que una ona gravitatòria produeix forces de marea sobre qualsevol objecte. Al pas d'una ona gravitatòria, les variacions relatives en les posicions de les masses del detector s'analitzen estudiant el recorregut del feix d'un làser al llarg dels dos braços del dispositiu. El canvi (infinitesimal) en la distància recorreguda pel làser origina un canvi en la intensitat de la llum observada a la sortida del detector. El patró d'interferència del làser passa de ser destructiu (quan no hi ha ona) a constructiu (al pas d'una ona).
Detectar un senyal gravitatori amb aquest tipus de dispositius és un desafiament equivalent a mesurar una variació inferior a la grandària d'un nucli atòmic en una unitat astronòmica (distància entre la Terra i el Sol, uns 150 milions de quilòmetres). Per tal motiu s'ha trigat tant temps a detectar-les. Fins a l'anunci d'ahir, només havien estat indirectament "detectades" en connexió amb el descobriment en 1974 del pulsar binari PSR 1913+16 pels radioastronoms Russell Hulse i Joseph Taylor (guardonats amb el premi Nobel de Física en 1993).
El descobriment s'ha realitzat en l'interferòmetre nord-americà Advanced-LIGO, que consta de dos detectors separats per uns 3000 km, un situat en Livingston, Louisiana i l'altre en Hanford, Washington. A més d'aquests dos, hi ha observatoris d'ones gravitatòries també a Europa, GEO600 a Hannover (Alemanya) i que és part de la LSC, i VIRGO prop de Pisa (Itàlia), a més del detector japonès KAGRA (en construcció). També existeixen estudis de disseny de detectors de tercera generació a Europa (Einstein Telescope) a més del detector espacial eLISA que té ja assignada data de llançament en 2034 com a missió L3 de l'ESA. A més, el satèl·lit LISA Pathfinder, el prototip per calibrar les possibilitats d'èxit de la missió eLISA i que compta amb participació espanyola (IEEC), va ser posat en òrbita el passat 2 de desembre de 2015. Sens dubte, estem assistint al naixement de l'astronomia de radiació gravitatòria, i l'anunci de la seva detecció directa va a contribuir a potenciar enormement la recerca en aquest camp.
El resultat experimental anunciat ahir no hagués estat possible sense un esforç teòric internacional igualment important, encapçalat per la denominada Relativitat Numèrica, disciplina de la Relativitat General dedicada a la cerca de solucions numèriques de les equacions d'Einstein per mitjà de simulacions amb superordenadors. Des dels seus inicis (finals dels anys 60), la Relativitat Numèrica ha produït patrons de senyals de radiació gravitatòria amb els quals facilitar la detecció dels senyals reals doncs, a causa de la seva petita amplitud, aquestes estan completament ocultes pel soroll del detector.
La Relativitat Numèrica ha aconseguit resoldre la formació de forats negres com a resultat del col·lapse gravitatori d'estels massius i la col·lisió d'objectes compactes en binàries d'estels de neutrons o forats negres.
Aquest últim exemple, el problema de dos cossos en Relativitat General, va poder finalment resoldre's en 2006. El tren d'ones de la radiació gravitatòria obtingut en les solucions numèriques es caracteritza per la presència d'un senyal tipus "chirp" (un senyal sinusoïdal que augmenta en freqüència i amplitud conforme els dos forats negres s'aproximen), un senyal tipus "burst" quan els dos forats negres es fusionen, i un senyal tipus "ringdown" que correspon al decaïment exponencial de l'amplitud de les oscil·lacions del forat negre final. És remarcable assenyalar que aquest senyal característic de les binàries de forats negres coincideix plenament amb el senyal detectat per Advanced-LIGO.
Si el telescopi de Galileu va ser precursor dels actuals observatoris astronòmics (terrestres i a l'espai) i les seves observacions van obrir la finestra electromagnètica a l'observació de l'Univers, l'esdeveniment anunciat ahir dijous 11 de Febrer de 2016 suposa, sens dubte, la inauguració de l'obertura de la finestra gravitatòria per a l'observació de l'Univers. Un cosmos nou va a aparèixer davant els 'ulls' dels observatoris d'ones gravitatòries, complementant la ingent quantitat d'informació rebuda en la totalitat de l'espectre electromagnètic i la que rebrem, en un futur no gaire llunyà, mitjançant els telescopis de neutrins. Noves generacions de joves investigadors estan cridades a participar en aquesta nova aventura científica: l'observació de l'Univers a través de les ones gravitatòries.
El descobriment històric anunciat ahir demostra que, com en tantes ocasions precedents, Einstein torna a tenir raó. Parafrasejant a la física i periodista Marcia Bartusiak, la simfonia inacabada d'Einstein acaba de ser completada.
Enllaços:
LIGO: https://ligo.caltech.edu/
Advanced LIGO: https://www.advancedligo.mit.edu/
Virgo: https://www.ego-gw.it/public/virgo/virgo.aspx
eLISA: elisascience.org
LISA Pathfinder: http://sci.esa.int/lisa-pathfinder/
VESF: https://www.ego-gw.it/public/vesf/vesf.aspx
COMPAC: http://www.uv.es/rag/
CAMAP: http://www.uv.es/camap/
