La Col·laboració Virgo i la Col·laboració Científica LIGO presenten la primera observació d’ones gravitatòries realitzada per tres detectors. Aquest resultat destaca el potencial científic d’una xarxa global de detectors d’ones gravitatòries que aconsegueix una millor localització de la font i un millor accés a les polaritzacions de les ones.
Els dos detectors d’ones gravitatòries per interferometria làser (LIGO, per les seues sigles en anglès), instal·lats a Livingston (Louisiana), i a Hanford (Washington), EUA, i el detector Virgo, instal·lat a l’Observatori Gravitatori Europeu (EGO), a Cascina, prop de Pisa, (Itàlia), van detectar un senyal transitori d’ona gravitatòria que va produir la coalescència de dos forats negres de masses estel·lars.
Directe a la font: la xarxa global d’interferòmetres LIGO-Virgo obre una nova era per a la ciència d’ones gravitatòries
La Col·laboració Virgo i la Col·laboració Científica LIGO presenten la primera observació d’ones gravitatòries realitzada per tres detectors. Aquest resultat destaca el potencial científic d’una xarxa global de detectors d’ones gravitatòries que aconsegueix una millor localització de la font i un millor accés a les polaritzacions de les ones.
Els dos detectors d’ones gravitatòries per interferometria làser (LIGO, per les seues sigles en anglès), instal·lats a Livingston (Louisiana), i a Hanford (Washington), EUA, i el detector Virgo, instal·lat a l’Observatori Gravitatori Europeu (EGO), a Cascina, prop de Pisa, (Itàlia), van detectar un senyal transitori d’ona gravitatòria que va produir la coalescència de dos forats negres de masses estel·lars.
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 és 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 és el primer senyal d’ona gravitatòria que ha estat captat pel detector Virgo, que ha acabat recentment la seua millora com a Advanced Virgo.
"És meravellós veure per primera vegada un senyal d’ona gravitatòria en el nostre nou detector Advanced Virgo, solament dues setmanes després que començara a prendre dades de manera oficial”, diu Jo van den Brand, de Nikhef i la UV Universitat d’Amsterdam, portaveu de la Col·laboració Virgo. “És una gran recompensa després de tot el treball dut a terme en el projecte Advanced Virgo per millorar l’instrument durant els últims sis anys.”
“Això és solament el començament de les observacions mitjançant la xarxa composta per Virgo i LIGO treballant conjuntament”, destaca David Shoemaker, del MIT, portaveu de la Col·laboració Científica LIGO. “Amb el següent període d’observació planejat per a la tardor de 2018 podem esperar que aquest tipus de deteccions es donen setmanalment o fins i tot amb més freqüència.”
El descobriment, acceptat per a la publicació en la revista Physical Review Letters (l’article està disponible per a descarregar-se’l en aquests enllaços: https://dcc.ligo.org/P170814 i https://tds.virgo-gw.eu/GW170814; apareixerà demà en arXiv), el van fer la Col·laboració Virgo i la Col·laboració Científica LIGO, que inclou la Col·laboració GEO i OzGrav.
La xarxa global per a la ciència d’ones gravitatòries
El detector Virgo es va unir al segon període d’observació (O2) l’1 d’agost de 2017, a les 10:00 UTC, després d’executar el programa de millora Advanced Virgo, de diversos anys de durada i mesos d’intens treball, per posar-lo en marxa amb la millora de la seua sensibilitat. La detecció en temps real es va activar amb dades provinents dels tres detectors LIGO i Virgo. Encara que actualment Virgo siga menys sensible que LIGO, dos algorismes independents de recerca basats en tota la informació disponible dels tres detectors també van provar el senyal en les dades de Virgo.
La col·laboració de LIGO i Virgo ha madurat durant l’última dècada. Les reunions conjuntes de col·laboració i anàlisi de dades comunes han unit la comunitat. La planificació de períodes d’observació coordinats, amb tots els detectors operatius, és important per a extraure la màxima quantitat possible de coneixements, i especialment la gran millora en la localització de les fonts vaticina un prometedor futur per a l’astronomia de multimissatgers. La Col·laboració LIGO-VIRGO anunciarà pròximament alguns resultats addicionals basats en dades de la xarxa de tres detectors. En aquests moments s’està acabant l’anàlisi de les dades.
La Col·laboració Virgo
Està formada per més de 280 físics i enginyers pertanyents a vint grups europeus de recerca: sis del Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), de França; vuit de l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), d’Itàlia; dos d’Holanda, amb Nikhef; la MTA Wigner RCP, d’Hongria; el grup POLGRAW, de Polònia; Espanya, amb la Universitat de València, i EGO, el laboratori que alberga el detector Virgo, prop de Pisa, a Itàlia.
LIGO
Està finançat per la NSF. L’administren el Caltech i el MIT, que van dissenyar i van construir el projecte. El finançament econòmic per al projecte Advanced LIGO el va dirigir la NSF amb Alemanya (Max Planck Society), el Regne Unit (Science and Technology Facilities Council) i Austràlia (Australian Research Council), que hi feren importants contribucions. Més de mil dos-cents científics d’arreu el món participen en l’esforç a través de la Col·laboració Científica LIGO, que inclou la Col·laboració GEO. La llista dels col·laboradors addicionals està aquesta pàgina: http://ligo.org/parterns.php
Localització
En general, el volum d’univers que conté probablement la font es redueix més d’un factor 20 quan es passa d’una xarxa de dos detectors a una de tres. La regió del cel que inclou GW170814 té una grandària de només 60 graus quadrats, més de deu vegades millor que la que tenim quan usem únicament els dos interferòmetres LIGO. A més, la precisió de la mesura de la distància a la font millora amb la incorporació de Virgo. Ser capaços d’apuntar a una regió més petita del cel és important, perquè s’espera que moltes fusions d’objectes compactes (per exemple, quan s’involucren estels de neutrons) produïsquen emissió electromagnètica en una banda ampla de freqüència, a més d’ones gravitatòries. La informació precisa de la localització va permetre que vint-i-cinc instal·lacions astronòmiques pogueren seguir les observacions basades en la detecció de LIGO-Virgo, sense observar cap contrapartida, com és d’esperar per al cas d’una fusió de forats negres.
Polarització
Virgo no respon exactament igual que LIGO al pas d’ones gravitatòries a causa de la seua orientació a la Terra, la qual cosa significa que es pot posar a prova una altra predicció de la relativitat general relacionada amb les polaritzacions de les ones gravitatòries. La polarització descriu com es distorsiona l’espaitemps en les tres direccions espacials diferents a mesura que es propaga una ona gravitatòria. Els tests inicials basats en l’esdeveniment GW170814 comparen casos extrems: d’una banda, polaritzacions permeses per la relativitat general; d’altra banda, polaritzacions prohibides estrictament per la teoria d’Einstein. L’anàlisi de les dades abona notablement la predicció d’Einstein. “La Col·laboració Virgo i la Col·laboració Científica LIGO han treballat conjuntament durant molts anys per analitzar les dades i extraure informació dels senyals observats. Una xarxa de tres detectors obre un nou potencial i permet fer tests addicionals fonamentals de prediccions teòriques,” assenyala Frédérique Marion, científica sènior del LAPP, Annecy. A més d’aquest nou resultat, uns altres tests de la relativitat general que es van fer per a les deteccions prèvies mostren un acord general entre les observacions i la relativitat general.
Advanced Virgo
És l’instrument de segona generació que ha construït i administra la Col·laboració Virgo per buscar ones gravitatòries. Giovanni Losurdo, de l’INFN, que va dirigir el projecte Advanced Virgo fins a la seua finalització, diu: “Aquesta detecció és una fita per a tots els qui han dedicat el seu temps a concebre, dur a terme i administrar Virgo i Advanced Virgo, entre els quals destaquen com a pioners Alain Brillet i Adalberto Giazotto. Tota la iniciativa es va basar des del principi en un objectiu visionari: la creació d’una xarxa capaç de localitzar les fonts en el cel i començar una nova era de recerca multimissatgera de l’univers. I finalment, després de dècades, ací som.” El disseny inicial d’Advanced Virgo es va completar fa deu anys, mentre el detector Virgo inicial estava prenent les seues primeres dades. Les agències que han finançat el projecte Virgo, CNRS i INFN, van aprovar el projecte en desembre de 2009, i Nikhef hi va fer contribucions importants. Quan acabaren les observacions del detector Virgo inicial en octubre de 2011 va començar la construcció d’Advanced Virgo.
La nova instal·lació s’inaugurà en febrer de 2017, mentre la posada en marxa estava encara en procés. En abril, el control del detector va assolir per primera vegada el punt de treball nominal. Durant els mesos següents, la sensibilitat de l’instrument va tenir millores profundes gràcies a una ampla campanya d’eliminació de soroll. Una vegada que la sensibilitat d’Advanced Virgo va ser capaç d’explorar un volum d’univers deu vegades major que el que era capaç d’explorar el detector Virgo inicial, Advanced Virgo es va unir l’1 d’agost de 2017 als detectors LIGO per a les quatre setmanes finals del període de presa de dades O2. “L’actualització de Virgo com a Advanced Virgo tenia un objectiu ambiciós: millorar significativament la sensibilitat del detector per maximitzar la probabilitat de detectar ones gravitatòries”, afirma Federico Ferrini, director de l’Observatori Gravitatori Europeu. “Assolir un nivell de rendiment capaç d’aconseguir una xarxa de tres detectors per a un període comú de presa de dades va dur molts anys de treball intens i innovador. Ara que Virgo ha observat el seu primer esdeveniment m’agradaria reconèixer la dedicació de tots els membres de la Col·laboració Virgo, del personal d’EGO i dels laboratoris participants.”
Advanced LIGO
És un detector d’ones gravitatòries de segona generació que consisteix en dos interferòmetres idèntics instal·lats a Hanford (Washington) i Livingston (Louisiana). Utilitza interferometria làser de precisió similar a la d’Advanced Virgo per a detectar ones gravitatòries. Des que va començar les operacions en setembre de 2015, Advanced LIGO ha realitzat dos períodes d’observació. El segon període d’observació O2 va començar el 30 de novembre de 2016 i va acabar el 25 d’agost de 2017. David Reitze, de Caltech, director executiu del laboratori LIGO, que va construir i administra els observatoris LIGO, diu: “Amb aquesta primera detecció conjunta dels detectors LIGO i Virgo hem donat un pas més enllà en el cosmos d’ones gravitatòries. Virgo aporta una nova i poderosa capacitat per a detectar i millorar la localització de les fonts d’ones gravitatòries, una capacitat que ens portarà indubtablement a obtenir resultats nous i emocionants en el futur.”
Participació espanyola
www.uv.es/virgogroup
@VirgoValencia
El nou descobriment és particularment important per a la comunitat espanyola d’ones gravitatòries, atès que un grup de recerca de la Universitat de València (UV), dirigit pel professor José Antonio Font, s’ha incorporat recentment a la Col·laboració Virgo. Amb aquest nou grup, els esforços espanyols en la col·laboració LIGO-Virgo han augmentat significativament, ja que fins al moment aquesta col·laboració tan sol tenia un grup de la Universitat de les Illes Balears (UIB) que es va unir a la Col·laboració Científica LIGO en 2002 sota la direcció de la professora Alicia Sintes.
La professora Sintes està entusiasmada pel descobriment i apunta: “Espanya té una comunitat d’astrònoms molt activa. La millora en la localització de les fonts fa que les observacions d’ones gravitatòries resulten extraordinàriament atractives per a la comunitat astronòmica.” A més, Sintes confia que es produïsquen interaccions diverses entre grups de diferents àmbits que redunden en una millora de la nostra comprensió de l’univers i espera que “l’observació del senyal pel detector Virgo siga un esperó per a redoblar els esforços per a desenvolupar un detector europeu d’ones gravitatòries de tercera generació i servisca per a intensificar encara més la col·laboració entre els grups europeus de LIGO i Virgo".
“Tenim per davant un any molt intens”, diu Sascha Husa, del grup de la UIB. “El període d’observació següent començarà la tardor de 2018, amb una sensibilitat significativament millorada. Esperem detectar diversos senyals al mes, la qual cosa requerirà desenvolupar multitud de models detallats de senyals d’ones gravitatòries per extraure tota la informació possible dels nous esdeveniments.”
El professor José Antonio Font, director del grup Virgo de la UV, assenyala: “No hi ha dubte que per a la Col·laboració Virgo, unir-se a LIGO en el curs del segon període d’observació ha estat un repte important, que vam superar l’1 d’agost de 2017. L’equip encarregat de posar en marxa el detector Advanced Virgo va fer un treball fantàstic, que va lliurar en un temps rècord, amb la sensibilitat necessària per a col·laborar plenament amb LIGO en la recerca de possibles deteccions noves. Un exemple meravellós de tal col·laboració és la recent detecció triple del senyal GW170814”. Font afegeix que “per al grup Virgo de la UV ha estat un gran honor haver estat testimoni d’aquest enorme esforç organitzatiu i haver participat activament en alguna de les activitats de caracterització del detector Virgo”.
