El conjunt de dades, publicat aquest dilluns en el repositori en línia ArXiv, en l’article etiquetat com a tercer catàleg, descriu les característiques de noves poblacions de forats negres, les masses dels quals, juntament amb les de les estreles de neutrons observades, proporcionen pistes sobre com les estreles viuen i moren, i amplien els horitzons de l’astronomia gravitacional. Els 35 nous esdeveniments d’ones gravitacionals van ser observats entre novembre de 2019 i març de 2020, durant la segona part del tercer i més recent període d’observació (03b).

“El nou catàleg que acaba d’anunciar la col·laboració LIGO-Virgo-KAGRA eleva a 90 els senyals gravitatoris detectats des de la històrica primera detecció del 14 de setembre de 2015. Amb l’augment de les deteccions motivat per la millora en la sensibilitat dels detectors, augmenta també la diversitat de les binàries compactes que originen els senyals, la qual cosa proporciona informació sense precedents sobre les propietats dels forats negres i de les estreles de neutrons”, assenyala José Antonio Font, coordinador del grup Virgo a València i catedràtic d’Astronomia i Astrofísica de la Universitat de València.

“No obstant això, la presència en aquest nou catàleg de sistemes comparativament més extrems que en catàlegs precedents, planteja enormes desafiaments a la modelització teòrica de les formes d’ona amb les quals s’infereixen les propietats físiques de les fonts, dificultats que es tornaran encara majors durant la pròxima campanya d’observació O4. La línia d’investigació dedicada a l’obtenció numèrica de models de formes d’ona, com la que realitza el grup de la Universitat de València, haurà de redoblar els seus esforços per a poder proporcionar models de forma d’ona capaços d’acomodar fusions d’objectes compactes no quasi-circulars i amb excentricitat orbital significativa”, conclou Font.

La majoria dels nous senyals procedeixen de la fase espiral de la fusió de dos forats negres: sismes còsmics que agiten el teixit de l’espai-temps, la qual cosa genera un potent esclat d’ones gravitacionals. Dos esdeveniments més, un ja anunciat al juny d’enguany, van ser identificats com a fusions d’una estrela de neutrons amb un forat negre, una font observada per primera vegada durant aquest període de LIGO-Virgo-KAGRA. Un altre esdeveniment, detectat al febrer de 2020, podria procedir tant d’una parella de forats negres com d’una parella mixta d’un forat negre i una estrela de neutrons. De fet, la massa de l’objecte més lleuger es troba en un rang –el conegut com a buit en la distribució de masses– en el qual, abans de les observacions d’ones gravitacionals, no s’esperava que es formaren estreles de neutrons ni forats negres, la qual cosa fa d’això un misteri per a la comunitat científica.

Aquestes noves deteccions han sigut publicades per les col·laboracions científiques LIGO-Virgo-KAGRA, en el tercer catàleg de fonts d’ones gravitacionals transitòries (GWTC-3). El Catàleg està acompanyat per dues publicacions més, que se centren en les conseqüències cosmològiques i astrofísiques dels resultats.

Tan prompte com el senyal és identificat com un potencial esdeveniment astrofísic pel sistema d’anàlisi de dades del detector, i doblement comprovat per investigadors, una certa informació preliminar sobre la localització en el cel de la font d’ones gravitacionals i la seua naturalesa (una parella de forats negres, d’estreles de neutrons o mixta) es fa pública, quasi en temps real.

Durant l’últim període d’observació, les col·laboracions LIGO-Virgo-KAGRA van emetre 39 alertes en temps real a la comunitat científica per potencials esdeveniments d’ones gravitacionals. Díhuit d’aquests candidats han sigut confirmats i 17 més s’han afegit després d’una anàlisi offline. Els resultats d’aquestes anàlisis més completes i refinades són els que s’han publicat aquest dilluns en el Catàleg GWTC3. No obstant això, cap contrapartida multimissatgera ha sigut anunciada fins ara.

“L’anàlisi offline de les dades va continuar durant molts mesos després que acabara el període d’observació, ja que es requeria un treball llarg i complex de calibratge de dades i anàlisis per diferents equips investigadors, treballant en paral·lel i usant diferents tècniques d’anàlisi”, diu Viola Sordini, investigadora CNRS en l’Institut de Physique des deux Infinis de Lió.

Al mateix temps, les col·laboracions científiques LIGO-Virgo-KAGRA han publicat també hui el conjunt complet de dades calibrades registrat pels detectors LIGO i Virgo des de novembre de 2019 fins a març de 2020. Això permet a tota la comunitat investigadora dur a terme anàlisis independents i comprovacions, la qual cosa millora la qualitat dels resultats científics.

El nou horitzó de l’astronomia gravitacional

El Catàleg i les publicacions que l’acompanyen publicades hui ofereixen una visió sense precedents d’un nou panorama d’esdeveniments còsmics extrems i descriuen les característiques de poblacions de forats negres, ajustant nous rècords i límits en les masses de forats negres i estreles de neutrons. Alguns dels forats negres formats en aquestes col·lisions superen 100 vegades la massa el Sol i es classifiquen com a forats negres de massa intermèdia. Aquest tipus de forat negre és de gran interés, ja que podria tindre un paper important en la formació dels forats negres supermassius trobats en el centre de galàxies.

A més, una de les fusions involucra un forat negre massiu (al voltant de 33 vegades la massa del Sol) i una estrela de neutrons de molt baixa massa (al voltant d’1,2 vegades la massa del Sol). Aquesta és una de les estreles de neutrons més lleugeres mai detectades, que usa tant ones gravitacionals com observacions electromagnètiques.

Finalment, hi ha un sistema binari del qual la comunitat científica no pot decidir amb certesa si el component més lleuger és una estrela de neutrons o un forat negre. La seua massa, equivalent a 2,8 masses solars, és un trencaclosques, ja que els científics esperen que l’estrela de neutrons més massiva haja de rondar les 2,5 masses solars. No obstant això, no s’han descobert forats negres amb una massa per davall de les 5 masses solars amb observacions electromagnètiques.

El futur

El progrés aconseguit en uns pocs anys per la comunitat científica d’ones gravitacionals ha sigut impressionant, passant de la primera detecció a l’observació de diversos esdeveniments per mes. Això ha sigut possible gràcies al pla continu de millores tecnològiques, que ha transformat els primers instruments pioners en detectors cada vegada més sensibles. La millora en la sensibilitat del detector causada pels avanços tecnològics i la seua posada a punt és evident, si considerem que, dels 90 esdeveniments d’ones gravitacionals publicats hui, fins a 79 es refereixen exclusivament a l’últim període d’observació, que va durar des d’abril de 2019 fins a març de 2020.

Els observatoris de LIGO i Virgo estan implementant actualment millores i començaran el següent quart període d’observació en la segona meitat de 2022, amb una encara major sensibilitat, corresponent a un volum de l’Univers quasi 10 vegades major que fins ara i, per tant, a una molta major probabilitat de detectar senyals gravitacionals.

“Entre algunes de les millores en Virgo, hem introduït una cavitat òptica addicional (l’anomenada cavitat recicladora de senyal), que permet millorar la banda de sensibilitat del detector per a altes freqüències”, afegeix Sebastian Steinlechner, professor adjunt en la Universitat de Maastricht i Nikhef. “Això es correspon amb un increment de la capacitat del detector per a ‘escoltar’ les etapes finals dels parells coalescents, quan dos forats negres o estreles es fusionen en un únic objecte.”

Els grups LIGO i Virgo a Espanya

Sis grups espanyols contribueixen a l’estudi i anàlisi de les ones gravitacionals detectades per LIGO i Virgo, en àrees que van des del modelatge teòric de les fonts astrofísiques i l’anàlisi de les dades fins a la millora de la sensibilitat dels detectors per als períodes d’observació actuals i futurs. Dos grups, a la Universitat de les Illes Balears (UIB) i l’Instituto Galego de Física de Altas Enerxías (IGFAE) de la Universitat de Santiago de Compostel·la (USC) i la Xunta de Galícia, formen part de la Col·laboració Científica LIGO. La Universitat de València (UV), l’Institut de Ciències del Cosmos de la Universitat de Barcelona (ICCUB), l’Institut de Física d’Altes Energies (IFAE) de Barcelona i l’Institut de Física Teòrica (IFT) de la Universitat Autònoma de Madrid-CSIC són membres de Virgo.

La contribució espanyola està finançada per l’Agència Estatal d’Investigació, el Ministeri de Ciència, Innovació i Universitats, a través dels programes AYA i FPN, programes d’Excel·lència Severo Ochoa i María de Maeztu, programes de finançament de la Unió Europea, Fons FEDER, Fons Social Europeu, Vicepresidència i Conselleria d’Innovació, Investigació i Turisme, Conselleria d’Educació i Universitats 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 Operatiu FEDER Galicia 2014-2020, Xunta de Galicia, i té el suport de la Xarxa Espanyola de Supercomputació (RES).

Gràfics i material multimèdia: https://tinyurl.com/gwtc3

Peus de foto annex:

- Ones gravitacionals detectades des de 2015, amb la datació i el tipus d’esdeveniment registrat.