Ilustración de la fusión de dos agujeros negros, un evento que genera ondas gravitacionales. / LIGO/Caltech/MIT/Sonoma State (Aurore Simonne)

Después de su tercer periodo de observación y tras varios meses de análisis, la las colaboraciones científicas LIGO (con dos detectores en EE UU) y Virgo (con otro en Europa) han publicado un nuevo catálogo actualizado de detecciones de ondas gravitacionales.

El nuevo catálogo, llamado GWTC-2, continúa el anterior, que incluía las detecciones de los dos primeros periodos de observación (GWTC-1, publicado en noviembre de 2018), y contiene 39 señales nuevas provenientes de colisiones de agujeros negros o estrellas de neutrones detectadas entre el 1 de abril y el 1 de octubre de 2019, lo que supone un incremento de más del triple de detecciones confirmadas.

El catálogo GWTC-2 contiene 39 señales de ondas gravitacionales procedentes de fusiones de agujeros negros o estrellas de neutrones detectadas entre el 1 de abril y el 1 de octubre de 2019

El nuevo conjunto incluye algunos de los sistemas más interesantes observados hasta la fecha, y permite nuevos estudios cualitativos y cuantitativos sobre poblaciones astrofísicas y física fundamental.

Un total de cuatro artículos científicos van a ser publicados simultáneamente, presentando el catálogo de nuevas  fuentes, un estudio de las implicaciones astrofísicas, pruebas de la relatividad general y una búsqueda de ondas gravitacionales asociadas a brotes de rayos gamma (gamma-ray bursts en inglés), que no ha detectado señales adicionales . Los resúmenes también estarán disponibles en la web de LIGO.

Tecnología de compresión cuántica

El fuerte incremento en el número de detecciones ha sido posible gracias a mejoras significativas en los instrumentos de observación con respecto a periodos de observación previos. Entre estas mejoras, se incluyen un aumento de la potencia del láser, espejos mejorados y, de manera destacada, el uso de tecnología de compresión cuántica (quantum squeezing).

Esto ha permitido una mejora en torno al 60 % en el rango con que las señales pueden detectarse. Además, los detectores pudieron operar sin interrupción más a menudo que en el pasado, con un ciclo de trabajo del 75 % con respecto al 60 % anterior.

Con todas estas nuevas señales se mejorará nuestra comprensión de las poblaciones de agujeros negros y estrellas de neutrones en el universo, maximizando la información astrofísica al analizar simultáneamente todas las fusiones de binarias de agujeros negros

Según los investigadores, con todas estas nuevas señales se puede mejorar nuestra comprensión de las poblaciones de agujeros negros y estrellas de neutrones en el universo. Al analizar simultáneamente todo el conjunto de fusiones de binarias de agujeros negros, se maximiza la información astrofísica extraída de los análisis.

De ellos se infiere que la distribución de masas de agujeros negros no sigue una simple distribución potencial. Midiendo las desviaciones respecto de esta ley potencial se podrá aprender sobre la formación de estos agujeros negros, ya sea como el resultado de muertes estelares como de previas colisiones.

Considerar la población completa como un conjunto también permitirá hacer medidas más sólidas de propiedades difíciles de medir, como puede ser el espín o momento angular del agujero negro. Algunos agujeros negros en proceso de fusión tienen espines desalineados con su momento orbital angular, y esto permite demostrar cuales son los regímenes en los que estas binarias se forman.

Poner a prueba la relatividad de Einstein

También se pueden utilizar las numerosas señales del catálogo actualizado para poner a prueba la teoría de la gravedad de Einstein, de más y mejores formas que en el pasado. Esto ha sido posible comparando los datos con predicciones de la teoría, acotando así posibles desviaciones respecto a las predicciones.

Midiendo las vibraciones de objetos remanentes producidos por las fusiones, LIGO y Virgo han confirmado que se comportan tal como se espera que lo hagan los agujeros negros en la teoría de Einstein

Se han combinado los resultados de múltiples señales usando nuevos métodos estadísticos para obtener las mejores cotas hasta la fecha a las propiedades de la gravedad en el régimen fuerte y altamente dinámico de las fusiones de agujeros negros.

Con el nuevo catálogo, LIGO y Virgo también pudieron estudiar de manera directa las propiedades de los objetos remanentes que son producidos por la fusión: midiendo las vibraciones de estos objetos, y descartando posibles ‘ecos’ posteriores a la señal principal, LIGO y Virgo han confirmado que los remanentes se comportan tal como se espera que lo hagan los agujeros negros en la teoría de Einstein.

Más resultados y observaciones

Los resultados presentados en el nuevo catálogo corresponden exclusivamente a los primeros seis meses del tercer periodo de observación de LIGO y Virgo. Los resultados de los cinco meses restantes están siendo analizados.

Mientras tanto, se están llevando a cabo mejoras en los instrumentos de LIGO y Virgo para la preparación del cuarto periodo de observación, durante el cual el detector KAGRA en Japón va a ser incorporado. Según los investigadores, muchos interesantes descubrimientos están por llegar.

Participación española

El grupo de investigación GRAVITY de la Universitat de les Illes Balears (UIB) ha contribuido de diversas formas a la obtención de estos resultados. La líder del grupo, Alicia Sintes, ha actuado como revisora de los resultados de la búsqueda de brotes de rayos gamma (gamma-ray bursts).

Además, este equipo ha contribuido al desarrollo de modelos teóricos que se utilizan para decodificar las propiedades de las fuentes astrofísicas, en un esfuerzo liderado por Sascha Husa, junto con una participación activa en la estimación de parámetros de varios de los nuevos eventos.

Los estudiantes de doctorado Pep Covas (ahora ya doctor) y Rodrigo Tenorio han trabajo en el detector de Hanford de manera presencial durante tres meses cada uno caracterizando el ruido del detector durante este periodo de observación, un trabajo esencial para distinguir las señales astrofísicas de artefactos terrestres debidos al ruido, y David Keitel ha coordinado los resúmenes de divulgación de las cuatro nuevas publicaciones.

Paralelamente, el grupo ha estado muy activo en 2020, publicando nuevos modelos, altamente eficientes, de colisiones binarias, lo que permitirá a la comunidad científica estudiar la sinfonía completa de las ondas gravitaciones, incluyendo sus diferentes armónicos.

Hasta ahora, los armónicos de las señales de onda gravitacional no se han utilizado de manera rutinaria, y en el catálogo que ha sido publicado se ha limitado el estudio sistemático del efecto de estos armónicos, debido al alto coste computacional que suponía.

Los modelos que el grupo de la UIB ha presentado durante este año 2020, en un total de seis publicaciones (dos de las cuales todavía se encuentran en el proceso de revisión por pares), permitirán estudiar los armónicos de manera sistemática y eficiente para todos los eventos detectados en este catálogo y en futuras actualizaciones.

Los primeros estudios utilizando los modelos nuevos han permitido refinar los resultados para el evento GW190412 (publicado originalmente en abril), en una publicación del grupo de la UIB, y también sugieren una posible interpretación alternativa de la fusión de agujeros negros más masiva detectada hasta la fecha, GW190521 (publicada originalmente en septiembre). Este último trabajo ha sido realizado por un grupo del Albert Einstein Institute en Alemania.

‘’Como para todo el mundo, este ha sido un año remarcable para nuestro grupo, con muchos altibajos, y hemos publicado el mayor número de artículos científicos de todos los años, sin tener en cuenta aquellos de la colaboración LIGO», señala Sascha Husa.

«Estoy aliviado ahora que este catálogo ha sido publicado –añade–, pero diría que incluso más debido a que hemos obtenido casi otras diez millones de horas de tiempo de computación por la Red Española de Supercomputadores (RES), que nos permite continuar con nuestro trabajo por otros cuatro meses al mismo nivel, y poder estudiar así los candidatos de eventos más interesantes para el próximo catálogo de ondas gravitacionales. Estoy particularmente agradecido de poder trabajar con el supercomputador Mare Nostrum, uno de los ordenadores más rápidos en Europa”.

“Es muy difícil para un grupo en Mallorca el poder contribuir a un esfuerzo científico de tanta escala, y a la vez colaborar y competir con instituciones como el Instituto Tecnológico de California, el MIT o la Sociedad Max Planck alemana con los medios de los que disponemos, pero somos optimistas en que España reconozca la importancia del I+D+i y aumente su inversión hacia una economía basada en el conocimiento”, apunta Alicia Sines.

En total cinco grupos en España están contribuyendo a la astronomía de ondas gravitacionales como miembros de las colaboraciones LIGO o 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 del detector para los períodos 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), 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) y el Institut de Física d’Altes Energies (IFAE) de Barcelona son miembros de Virgo.