Els detectors d'ones gravitacionals de LIGO i Virgo han captat per primera vegada dos senyals d'ones gravitacionals procedents de la fusió d'un fenomen que fins ara mai no havia estat observat: la fusió de forats negres i estrelles de neutrons. En aquesta troballa participaren investigadors del grup de recerca en Física Gravitacional: Teoria i Observació (GRAVITY) de la Universitat de les Illes Balears.

Les dues ones gravitacionals, GW200105 i GW200115, foren detectades els dies 5 i 15 de gener de 2020 i es generaren a una distància superior als 900 milions d'anys llum del nostre planeta, després que els forats negres capturassin les estrelles de neutrons. És la primera vegada que s'observen ones gravitacionals procedents d'una combinació d'estrelles de neutrons i forats negres.

Fins ara, solament s'havien pogut confirmar ones gravitacionals causades per la fusió de parells de forats negres i de parells d'estrelles de neutrons, per la qual cosa es preveu que aquests descobriments llancin noves dades sobre el naixement, la vida i la mort de les estrelles, així com sobre els entorns en els quals es formen.

Aquests resultats es recullen en un article publicat el dimarts 29 de juny de 2021 a la revista científica Astrophysical Journal Letters, en el qual figuren com a autors els investigadors de la UIB Alicia Sintes, Sascha Husa, David Keitel, Marta Colleoni, Héctor Estellés, Maite Mateu-Lucena, Cecilio García-Quirós, Rafel Jaume, Rodrigo Tenorio i Pep Covas, a més d'investigadors de LIGO, Virgo i Kagra.

GW200105

El primer dels dos esdeveniments, GW200105, fou detectat pels observatoris LIGO (Livingston, Louisiana, Estats Units) i Virgo (Itàlia) el 5 de gener de 2020. A partir del senyal d'ona gravitacional, els astrònoms pogueren inferir que es generà a una distància de 900 milions d'anys llum de la Terra i que procedia de la fusió d'un forat negre de 8,9 masses solars i un objecte compacte més petit, de 1,9 masses solars, una estrella de neutrons.

GW200115

El segon esdeveniment, GW200115, fou detectat només deu dies després, el 15 de gener de 2020, pels dos observatoris de LIGO (Livingston i Hanford, Estats Units) i el detector Virgo (Itàlia). El senyal procedia de la fusió d'un forat negre de 5,7 masses solars i d’una estrella de neutrons d’1,5 masses solars a una distància de mil milions d'anys llum del nostre planeta.

La participació de la UIB

Una contribució clau del grup GRAVITY de la UIB a la col·laboració LIGO és el modelatge de les formes d'ona emeses per sistemes binaris, composts per forats negres o estrelles de neutrons. Aquests models s'utilitzen per identificar les fonts i estimar-ne els paràmetres, com ara les masses o la distància. Aquest és un procés molt costós computacionalment i requereix l'ús de supercomputadors.

A la UIB, des de 2008 Sascha Husa lidera un programa per desenvolupar models de forma d'ona més eficients des del punt de vista computacional. En una sèrie de set publicacions recents, el grup GRAVITY ha presentat una nova generació d'aquests models encara més precisos, i han estat un dels emprats per estimar els paràmetres de les fonts de GW200105 i GW200115.

El grup de la UIB ha estat involucrat directament en l'anàlisi d'aquests senyals, una part de la qual es feu en el supercomputador Mare Nostrum, de Barcelona. «Capturar el senyal d'un esdeveniment tan elusiu com la fusió d'un forat negre i d'una estrella de neutrons és un esdeveniment excepcional i estem orgullosos que el nostre equip hagi contribuït directament a aquest descobriment», declara Marta Colleoni, investigadora del grup GRAVITY.

El grup de la UIB, liderat per la doctora Alícia Sintes, ha participat en la col·laboració científica LIGO des del començament. En el marc de LIGO, els investigadors de la UIB participaren en un fet històric per a la ciència: la primera detecció d'ones gravitacionals, ondulacions de l'espaitemps que arriben a la Terra a la velocitat de la llum, procedents d'un fet catastròfic a l'univers. Aquest descobriment fou mereixedor del premi Nobel de Física l'any 2017.

Estels de neutrons i forats negres

Se sap que els senyals es produïren a través de la fusió d'objectes extremadament compactes, ja que estels menys densos haurien estat completament destrossades abans de fusionar-se, a causa de la intensitat de l'atracció gravitacional. Malgrat les reduïdes dimensions (diverses desenes de quilòmetres), els estels de neutrons són tan massives com el nostre Sol. El seu origen es troba en les supernoves, explosions estel·lars de gran intensitat que es produeixen quan una estrella massiva esgota el seu combustible nuclear i mor de manera catastròfica. En el cas de GW200105 i GW200115, els objectes més lleugers encaixen perfectament en la població d'estels de neutrons observada fins ara. Per part seva, els forats negres són regions de l'espaitemps amb una gravetat tan intensa que evita que qualsevol cosa, fins i tot la llum, pugui escapar.

Les col·laboracions LIGO i Virgo

LIGO ha estat finançat per la Fundació Nacional de la Ciència (NSF) i operat per Caltech i MIT, que el conceberen i lideraren el projecte. L'NSF, juntament amb Alemanya (Societat Max-Planck), el Regne Unit (Consell d’Instal·lacions de Ciència i Tecnologia) i Austràlia (Consell Australià de la Recerca - OzGrav) encapçalaren el suport econòmic per al projecte Advanced LIGO, i aportaren compromisos i feren contribucions significatives al projecte. Aproximadament 1.400 científics de tot el món participen en les tasques de la col·laboració científica LIGO, que inclou la col·laboració GEO. Una llista dels col·laboradors addicionals està disponible a: https://my.ligo.org/census.php.

Actualment, la col·laboració Virgo està formada per devers 650 membres, procedents de 119 institucions de 14 països, entre els quals hi ha Bèlgica, França, Alemanya, Grècia, Hongria, Irlanda, Itàlia, els Països Baixos, Polònia, Portugal i Espanya. L'Observatori Gravitacional Europeu (EGO, per les seves sigles en anglès) alberga el detector Virgo prop de Pisa, a Itàlia, i és finançat pel Centre Nacional de la Recerca Científica (CNRS) a França, l’Institut Nacional de Física Nuclear (INFN) a Itàlia, i el Nikhef als Països Baixos. Es pot consultar la llista dels grups de la col·laboració Virgo a http://public.virgo-gw.eu/the-virgo-collaboration/ i més informació a la pàgina web de Virgo <http://www.virgo-gw.eu> .

Sis grups espanyols contribueixen a l'estudi i anàlisi de les ones gravitacionals detectades per LIGO-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, de la Universitat de les Illes Balears (UIB) i l'Institut Gallec de Física d’Altes Energies, de la Universitat de Santiago de Compostel·la (USC), formen part de la col·laboració científica LIGO. Per part seva, 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.