El conjunto de datos, publicado este lunes en el repositorio online ArXiv, en el artículo etiquetado como tercer catálogo, describe las características de nuevas poblaciones de agujeros negros, cuyas masas, junto a las de las estrellas de neutrones observadas, proporcionan pistas sobre cómo las estrellas viven y mueren, ampliando los horizontes de la astronomía gravitacional. Los 35 nuevos eventos de ondas gravitacionales fueron observados entre noviembre de 2019 y marzo de 2020, durante la segunda parte del tercer y más reciente periodo de observación (03b).

“El nuevo catálogo que acaba de anunciar la colaboración LIGO-Virgo-KAGRA eleva a 90 las señales gravitatorias detectadas desde la histórica primera detección del 14 de septiembre de 2015. Con el aumento de las detecciones motivado por la mejora en la sensibilidad de los detectores, aumenta también la diversidad de las binarias compactas que originan las señales, lo que proporciona información sin precedentes sobre las propiedades de los agujeros negros y de las estrellas de neutrones”, señala José Antonio Font, coordinador del grupo Virgo en Valencia y catedrático de Astronomía y Astrofísica de la Universitat de València.

“Sin embargo, la presencia en este nuevo catálogo de sistemas comparativamente más extremos que en catálogos precedentes, plantea enormes desafíos a la modelización teórica de las formas de onda con las que se infieren las propiedades físicas de las fuentes, dificultades que se tornarán todavía mayores durante la próxima campaña de observación O4. La línea de investigación dedicada a la obtención numérica de modelos de formas de onda, como la que realiza el grupo de la Universitat de València, deberá redoblar sus esfuerzos para poder proporcionar modelos de forma de onda capaces de acomodar fusiones de objetos compactos no cuasi-circulares y con excentricidad orbital significativa”, concluye Font.

La mayoría de las nuevas señales proceden de la fase espiral de la fusión de dos agujeros negros: seísmos cósmicos que agitan el tejido del espacio-tiempo, lo cual genera un potente estallido de ondas gravitacionales. Otros dos eventos, uno ya anunciado en junio de este año, fueron identificados como fusiones de una estrella de neutrones con un agujero negro, una fuente observada por primera vez durante este periodo de LIGO-Virgo-KAGRA. Otro evento, detectado en febrero de 2020, podría proceder tanto de una pareja de agujeros negros como de una pareja mixta de un agujero negro y una estrella de neutrones. De hecho, la masa del objeto más ligero se encuentra en un rango –el conocido como hueco en la distribución de masas– en el cual, antes de las observaciones de ondas gravitacionales, no se esperaba que se formaran estrellas de neutrones ni agujeros negros, lo que hace de esto un misterio para la comunidad científica.

Estas nuevas detecciones han sido publicadas por las colaboraciones científicas LIGO-Virgo-KAGRA, en el tercer catálogo de fuentes de ondas gravitacionales transitorias (GWTC-3). El Catálogo está acompañado por otras dos publicaciones, que se centran en las consecuencias cosmológicas y astrofísicas de los resultados.

Tan pronto como la señal es identificada como un potencial evento astrofísico por el sistema de análisis de datos del detector, y doblemente comprobada por investigadores, cierta información preliminar sobre la localización en el cielo de la fuente de ondas gravitacionales y su naturaleza (una pareja de agujeros negros, de estrellas de neutrones o mixta) se hace pública, casi en tiempo real.

Durante el último periodo de observación, las colaboraciones LIGO y Virgo emitieron 39 alertas en tiempo real a la comunidad científica por potenciales eventos de ondas gravitacionales. 18 de estos candidatos han sido confirmados y otros 17 más se han añadido después de un análisis offline. Los resultados de estos análisis más completos y refinados son los que se han publicado este lunes en el Catálogo GWTC3. Sin embargo, ninguna contrapartida multimensajera ha sido anunciada hasta ahora.

“El análisis offline de los datos continuó durante muchos meses después de que terminara el periodo de observación, ya que se requería un trabajo largo y complejo de calibración de datos y análisis por diferentes equipos investigadores, trabajando en paralelo y usando diferentes técnicas de análisis”, dice Viola Sordini, investigadora CNRS en el Institut de Physique des deux Infinis de Lyon.

Al mismo tiempo, las colaboraciones científicas LIGO-Virgo-KAGRA han publicado también hoy el conjunto completo de datos calibrados registrado por los detectores LIGO y Virgo desde noviembre de 2019 hasta marzo de 2020. Esto permite a toda la comunidad investigadora llevar a cabo análisis independientes y comprobaciones, lo cual mejora la calidad de los resultados científicos.

El nuevo horizonte de la astronomía gravitacional

El Catálogo y las publicaciones que lo acompañan publicadas hoy ofrecen una visión sin precedentes de un nuevo panorama de eventos cósmicos extremos y describen las características de poblaciones de agujeros negros, ajustando nuevos récords y límites en las masas de agujeros negros y estrellas de neutrones. Algunos de los agujeros negros formados en estas colisiones superan 100 veces la masa de nuestro Sol, y se clasifican como agujeros negros de masa intermedia. Este tipo de agujero negro es de gran interés, ya que podría jugar un papel importante en la formación de los agujeros negros supermasivos encontrados en el centro de galaxias.

Además, una de las fusiones involucra a un agujero negro masivo (alrededor de 33 veces la masa de nuestro Sol) y una estrella de neutrones de muy baja masa (alrededor de 1,2 veces la masa de nuestro Sol). Esta es una de las estrellas de neutrones más ligeras jamás detectadas, que usa tanto ondas gravitacionales como observaciones electromagnéticas.

Finalmente, hay un sistema binario del cual la comunidad científica no puede decidir con certeza si el componente más ligero es una estrella de neutrones o un agujero negro. Su masa, equivalente a 2,8 masas solares, es un rompecabezas, ya que los científicos esperan que la estrella de neutrones más masiva deba rondar las 2,5 masas solares. Sin embargo, no se han descubierto agujeros negros con una masa por debajo de las 5 masas solares con observaciones electromagnéticas.

El futuro

El progreso alcanzado en unos pocos años por la comunidad científica de ondas gravitacionales ha sido impresionante, pasando de la primera detección a la observación de varios eventos por mes. Esto ha sido posible gracias al plan continuo de mejoras tecnológicas, que ha transformado los primeros instrumentos pioneros en detectores cada vez más sensibles. La mejora en la sensibilidad del detector debido a avances tecnológicos y su puesta a punto es evidente, si consideramos que, de los 90 eventos de ondas gravitacionales publicados hoy, hasta 79 se refieren exclusivamente al último periodo de observación, que duró desde abril de 2019 hasta marzo de 2020.

Los observatorios de LIGO y Virgo están implementando actualmente mejoras y empezarán el siguiente cuarto periodo de observación en la segunda mitad de 2022, con una todavía mayor sensibilidad, correspondiente a un volumen del Universo casi 10 veces mayor que hasta ahora y, por tanto, a una mucha mayor probabilidad de detectar señales gravitacionales.

“Entre algunas de las mejoras en Virgo, hemos introducido una cavidad óptica adicional (la llamada cavidad recicladora de señal), que permite mejorar la banda de sensibilidad del detector para altas frecuencias”, añade Sebastian Steinlechner, profesor adjunto en la Universidad de Maastricht y Nikhef. “Esto se corresponde con un incremento de la capacidad del detector para ‘escuchar’ las etapas finales de los pares coalescentes, cuando dos agujeros negros o estrellas se fusionan en un único objeto.”

Contribución de los grupos LIGO y Virgo en España

Seis grupos españoles contribuyen al estudio y análisis de las ondas gravitacionales detectadas por LIGO y 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 perídodos de observación actuales y futuros. Dos grupos, en la Universitat de les 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.

La contribución española está financiad 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, Vicepresidència i Conselleria de Innovación, Investigación y Turismo, Conselleria de Educación y Universidades del Govern de les Illes Balears, Conselleria de Innovación, Universidades, Ciencia y Sociedad 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).

Gráficos y material multimedia: https://tinyurl.com/gwtc3

Pie de foto anexo:

• Ondas gravitacionales detectadas desde 2015, con la datación y el tipo de evento registrado.