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

 
Imatge de les instal·lacions de Virgo a Pisa.
Imatge de les instal·lacions de Virgo a Pisa.

La Col·laboració Científica LIGO (EUA) i la Col·laboració Virgo (Europa) han detectat per primera vegada ones gravitacionals procedents d’una col·lisió d’estels de neutrons. Científics de la Universitat de València i de Illes Balears participen en aquesta nova fita per a la ciència.

La detecció ha sigut presentada aquest dilluns a Madrid, en el transcurs d’una roda de premsa a la qual ha assistit la vicerectora d’Investigació i Política Científica de la Universitat de València, Pilar Campins; i José Antonio Font, investigador principal de la Col·laboració Virgo en la Universitat de València.

El grup Virgo en la Universitat de València el formen nou investigadors del Departament d’Astronomia i Astrofísica i del Departament de Matemàtiques. Dos dels seus membres, José María Ibáñez i José Antonio Font, també pertanyen a l’Observatori Astronòmic de la Universitat de València. El grup contribueix a la Col·laboració Virgo en el desenvolupament d’algoritmes per a l’anàlisi de senyals gravitatoris i estimació de paràmetres de fonts astrofísiques, així com en la generació de patrons de radiació gravitacional mitjançant tècniques de relativitat numèrica. Els algoritmes per a l’anàlisi de senyals gravitatoris es basen en tècniques de variació total, línia de recerca liderada per Antonio Marquina.

El grup també realitza simulacions numèriques d’explosions supernova per a l’estimació de paràmetres a partir de la informació continguda en les ones gravitacionals, línia de recerca impulsada per Pablo Cerdà. La modelització numèrica mitjançant supercomputació és, en general, molt intensa en el grup, en particular en el context de col·lapse estel·lar, explotacions de supernova i col·lisió de binàries d’estels de neutrons. Membres del grup involucrats en tals simulacions són Miguel Ángel Aloy, Pablo Cerdà, José Antonio Font, Martin Obergaulinger i Nicolas Sanchis. A més, l’equip també participa en el desenvolupament de mètodes numèrics de Machine Learning per a la classificació del soroll instrumental en els detectors avançats, projecte en el qual Alejandro Torres exerceix un paper fonamental. Finalment, Isabel Cordero proporciona un important suport en els aspectes matemàtics i numèrics que subjauen a la majoria de les línies de recerca. 

Font apunta: “La històrica detecció del primer senyal gravitacional de la col·lisió de dos estels de neutrons, juntament amb la corresponent emissió electromagnètica, marca l’inici d’una nova era de descobriment que promet oferir respostes a preguntes fonamentals en astrofísica relativista, cosmologia, física nuclear, o la naturalesa de la gravitació. És revolucionari”.

Fa dos anys, el 14 de setembre de 2015, LIGO i Virgo van iniciar conjuntament una nova era per a l’astronomia amb la primera observació directa d’ones gravitacionals, les pertorbacions de l’espai‐temps predites per la teoria de la Relativitat General d’Albert Einstein, procedents de la fusió de dos forats negres. 

Ara, els mateixos protagonistes, juntament amb altres 70 observatoris terrestres i espacials anuncien un altre descobriment històric: la primera observació simultània d’ones gravitacionals procedents de l’espectacular col·lisió de dos estels de neutrons, i de contrapartides en tot l’espectre electromagnètic, un esdeveniment còsmic que marca l'inici de l'astronomia de multi‐missatgers amb ones gravitacionals. Els resultats LIGO-Virgo es publiquen en la revista ‘Physical Review Letters’; treballs addicionals de les col·laboracions LIGO-Virgo i de la comunitat astronòmica han sigut enviats i alguns han sigut ja acceptats per a la seua publicació en diferents revistes.

Els resultats del descobriment s’han fet públics durant la roda de premsa celebrada en la seu del Ministeri d'Economia, Indústria i Competitivitat (Madrid). Ha intervingut també Juan María Vázquez, secretari general de Ciència i Innovació.

Un senyal estel·lar

Els estels de neutrons són els estels més xicotets i densos coneguts i es formen quan estels més massius exploten en forma de supernoves. A mesura que l’òrbita dels dos estels de neutrons va anar disminuint en forma d’espiral, el sistema binari va emetre ones gravitacionals que van ser detectades durant uns 100 segons. En col·lisionar, amb una velocitat d’aproximadament la tercera part de la velocitat de la llum, es va emetre un centelleig de llum en forma de rajos gamma que va ser observat en la Terra uns dos segons després de la detecció de les pròpies ones gravitacionals. En els dies i setmanes posteriors a la col·lisió, altres formes de llum o radiacions electromagnètiques –incloent rajos X, ultraviolat, 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 dos estels de neutrons. Per exemple, les observacions realitzades per l’observatori Gemini d’Estats Units, l’European Very Large Telescope i el Hubble Space Telescope de la NASA 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.

El senyal gravitacional, coneguda com GW170817, va ser detectada el 17 d’agost a les 14:41 hora peninsular pels dos detectors americans LIGO avançat. És el senyal més intens detectada per la xarxa d’interferòmetres LIGO-Virgo fins avui. La informació proporcionada pel tercer detector, Virgo avançat, situat prop de Pisa, Itàlia, va permetre millorar la localització de l’esdeveniment còsmic.

LIGO avançat és un detector d’ones gravitacionals de segona generació que consisteix en dos interferòmetres idèntics situats a Hanford (Washington) i Livingston (Louisiana). Començant les operacions al setembre de 2015, LIGO avançat 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. El detector Virgo avançat també és un instrument de segona generació. L’1 d'agost de 2017, Virgo avançat es va unir als detectors LIGO per a treballar conjuntament durant les últimes quatre setmanes del període d’observació O2.

La Col·laboració Virgo està formada per més de 280 físics i enginyers pertanyents a 20 grups de recerca europeus diferents: sis del Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) a França; vuit de l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) a Itàlia; dos a Holanda amb Nikhef; la MTA Wigner RCP a Hongria; el grup POLGRAW a Polònia; Espanya amb la Universitat de València; i l’Observatori Gravitacional Europeu, EGO, el laboratori que allotja el detector Virgo prop de Pisa a Itàlia, finançat per CNRS, INFN i Nikhef.

Al voltant d’1.500 científics de la Col·laboració Científica LIGO i de la Col·laboració Virgo treballen conjuntament per a operar els detectors i per a processar i entendre les dades de les ones gravitacionals que capturen.

La detecció

El 17 d’agost, el programari d’anàlisi de dades a temps real de LIGO va captar un fort senyal d’ones gravitacionals des de l’espai en un dels dos detectors LIGO (Hanford). Quasi al mateix temps, el Gamma-ray Burst Monitor del Fermi Gamma‐ray Space Telescope de la NASA va detectar una explosió de rajos gamma. El programari d’anàlisi LIGO‐Virgo va considerar ambdues senyals de manera conjunta i es va observar que era improbable que anaren una coincidència fortuïta, mentre que una altra anàlisi paral·lela i automatitzat de LIGO indicava que hi havia un senyal d’ona gravitacional coincident amb l’altre detector LIGO (Livingston). La ràpida detecció de l’ona gravitacional per l'equip de LIGO‐Virgo, juntament amb la detecció dels rajos gamma de Fermi, van permetre el llançament del seguiment per telescopis al voltant del món.

Les dades de LIGO van indicar que dos objectes astrofísics situats a una distància relativament xicoteta de la Terra, al voltant de 130 milions d’anys-llum, havien estat aproximant-se en òrbites espirals. Presumiblement, els objectes no eren tan grans com un sistema binari de forats negres –objectes que LIGO i Virgo ja havien detectat prèviament. En el seu lloc, es va estimar que els dos objectes en òrbita espiral havien d’estar en un rang d’entre 1,1 i 1,6 vegades la massa del Sol, és a dir, en el rang de massa dels estels de neutrons. Un estel de neutrons és un estel d’uns 20 quilòmetres de diàmetre i de material tan dens que una culleradeta del seu material equivaldria a una massa d’al voltant de mil milions de tones.
Mentre que els sistemes binaris de forats negres produeixen una lleu refilada d’una fracció de segon en la banda sensible del detector LIGOE, el refilada del 17 d’agost va durar aproximadament 100 segons i es va poder veure a través de tota la gamma de freqüències de LIGO –aproximadament el mateix rang que els instruments musicals comuns. Els científics van poder identificar la font de la refilada com a objectes molt menys massius que els forats negres observats fins avui. Les anàlisis van mostrar que un esdeveniment d’aquestes característiques succeeix menys d'una vegada en 80.000 anys per coincidència aleatòria, per la qual cosa es va identificar immediatament com una detecció molt segura.

El Grup Virgo de la Universitat de València té el suport del Ministeri d'Economia i Competitivitat (INSTITUTRIU2015-66899-C2-1‐P), i la Conselleria d’Educació, Investigació, Cultura i Esport de la Generalitat Valenciana (PROMETEOII-2014-069). Participa en els projectes ‘NewCompStar: Exploring fonamental physics with Compacts Stars’ (MNPS COST Action MP1304), ‘PHAROS: The multi-messenger physics and astrophysics of compact stars’ (CA COST ACTION CA16214), ‘FunFICO: Fonamental fields and compact objects: theory and astrophysical phenomenology” (H2020-MSCA-RISE-2017).

Tots dos grups tenen el suport de la Xarxa Espanyola de Supercomputació i PRACE, participen en el projecte ‘GWverse: Gravitational waves, black holes, and fonamental physics’ (CA COST ACTION CA16104), i formen part de la Xarxa Temàtica d’Ones Gravitacionals (REDONGRA-FPA2015‐69815-REDT).

Juan José Hernández, director de l’Institut de Física Corpuscular (IFIC, Universitat de València-CSIC), indica que els telescopis de neutrins entre els quals es troba ANTARES, on treballen científics de l’IFIC, cerquen neutrins de molt alta energia associats a aquesta fusió d’estels de neutrons observada en ones gravitacionals per LIGO-Virgo, “la qual cosa demostraria que aquests cataclismes són una de les encara misterioses fonts de rajos còsmics”.

Article: ‘GW170817: Observation of gravitational waves from a binary neutron star merger.’

More information:

This website uses proprietary and third-party cookies for technical purposes, traffic analysis and to facilitate insertion of content in social networks on user request. If you continue to browse, we consider that you are accepting its use. For more information please consult ourcookies policy