Un grup internacional d’especialistes, amb participació de la Universitat de València, revelen noves i inesperades poblacions de forats negres
Un grup internacional d’especialistes, amb participació de la Universitat de València, i agrupats en els projectes LIGO i Virgo, han anunciat la detecció d’un sistema binari extraordinàriament massiu en el que s’han fusionat dos forats negres de 66 i 85 masses solars que van generar un forat negre final d'unes 142 masses solars.
El forat negre romanent és el més massiu mai detectat amb ones gravitatòries. Se situa en un rang de masses en el qual un forat negre no ha sigut observat mai abans, ni a través d'ones gravitatòries ni amb observacions electromagnètiques, i podria ajudar a explicar la formació de forats negres supermassius. A més, els dos forats negres inicials, si van sorgir del col·lapse d'estrelles, se situen en un rang de masses en el qual la seua presència es considera, en teoria, impossible, i podria per tant ajudar a millorar la nostra comprensió sobre les etapes finals de la vida de les estrelles massives.
La comunitat científica de les col·laboracions internacionals que treballen amb el detector Advanced Virgo en l’Observatori Gravitatori Europeu (EGO, de les seues sigles en anglés), a Itàlia, i amb els dos detectors Advanced LIGO, als EUA, han anunciat la detecció d'un forat negre d'unes 142 masses solars, resultat final de la fusió de dos forats negres de 66 i 85 masses solars. Tant la component primària com el romanent se situen en un rang de masses que no ha sigut observat mai abans, ni a través d'ones gravitatòries ni amb observacions electromagnètiques. El forat negre final és el més massiu mai detectat amb ones gravitatòries. L'esdeveniment d'ones gravitatòries va ser detectat pels tres interferòmetres de la xarxa global el 21 de maig de 2019. S'estima que la font del senyal, catalogada com GW190521, es troba a uns 17 mil milions d'anys llum de la Terra. Dos articles científics que informen sobre el descobriment i les seues implicacions astrofísiques han sigut publicats aquest dimecres en ‘Physical Review Letters’ i en ‘Astrophysical Journal Letters’, respectivament.
Batre el rècord de massa de les deteccions en els períodes d’observació de Virgo i LIGO és només una de les diverses característiques especials que fan d'aquesta detecció una fusió excepcional i un descobriment sense precedents. Un aspecte crucial, que particularment va cridar l'atenció de la comunitat astrofísica, és que el romanent pertany a la classe dels anomenats “forats negres de massa intermèdia” (des d’unes cent fins a unes cent mil masses solars). L’interés en aquesta població de forats negres està relacionat amb un dels trencaclosques més fascinants i complexos de l'astrofísica i la cosmologia: l'origen dels forats negres supermassius. Aquests monstres gegants, de milions a milers de milions de vegades més massius que el Sol i sovint en el centre de les galàxies, podrien sorgir de la fusió de forats negres de massa intermèdia “més menuts”.
Fins ara, molt pocs candidats a forats negres de massa intermèdia han sigut identificats únicament a través d'observacions electromagnètiques i el romanent de GW190521 és la primera observació d'un forat negre de massa intermèdia via ones gravitatòries. És d'un interés encara major el fet que aquesta detecció es trobe en el rang de 100 a 1.000 masses solars, que ha representat durant molts anys una espècie de “desert de forats negres”, a causa de l'escassetat d'esdeveniments candidats en aquest rang.
“Aquesta detecció obri la porta a descobrir molts més possibles efectes astrofísics nous”, comenta Thomas Dent, coordinador del programa d'ones gravitatòries en l'Instituto Galego de Física de Altas Enerxías (IGFAE) i membre de la Col·laboració Científica LIGO. “Ha sigut molt complex interpretar el senyal en estar en el límit de la nostra capacitat tècnica. Només tindrem una idea clara de com es va formar el sistema que la va generar després d'investigacions addicionals i amb deteccions futures amb les quals comparar.”
“Estic molt orgullosa de la gran implicació dels grups LIGO-Virgo espanyols amb aquest nou esdeveniment, amb tota l'activitat desenvolupada al llarg de molts mesos, incloent tasques de gran responsabilitat, i les expectatives que aquest nou descobriment està generant entre els científics de camps afins”, assenyala Alicia Sintes, de la Universitat de les Illes Balears (UIB) i membre de la Col·laboració Científica LIGO. “En particular, Thomas Dent (IGFAE) i Juan Calderón Bustillo (Universitat Xinesa d'Hong Kong i anteriorment membre de la UIB), han sigut membres de l'equip editorial d'aquests articles; Sascha Husa i David Keitel, tots dos del IAC3-UIB han sigut revisors interns dels resultats obtinguts.”
Les components i la dinàmica del sistema binari coalescente GW190521 ofereix extraordinàries perspectives astrofísiques. El més massiu dels dos forats negres fusionats és major que qualsevol forat negre observat fins ara per LIGO i Virgo i fins i tot el més lleuger dels forats negres figura entre els més massius observats. En particular, les masses dels forats negres progenitors desafien els models astrofísics que descriuen el col·lapse de les estreles més massives, al final de les seues vides, a forats negres. Segons aquests models, les estrelles més massives es desestabilitzen completament en les explosions de supernova, a causa d'un procés anomenat “inestabilitat de parells”, deixant al seu pas únicament gas i pols còsmica. Per tant, la comunitat astrofísica no esperaria observar cap forat negre en aquest rang de masses entre unes 60 i 120 masses solars: exactament el rang de masses en el qual es troba la component més massiva de GW190521. Per això, aquesta detecció obri noves perspectives en l'estudi de les estrelles massives i els mecanismes de les supernoves.
“Diversos escenaris prediuen la formació de forats negres en el buit en la distribució de masses a causa de la inestabilitat de parells: podrien ser el resultat de la fusió de forats negres més menuts o de la col·lisió de (múltiples) estrelles massives, o fins i tot de processos més exòtics”, afig Michela Mapelli de la Universitat de Padova i el INFN, i membre de la Col·laboració Virgo. “No obstant això, és també possible que hàgem de revisar la nostra comprensió actual de les etapes finals de la vida d'una estrella i les restriccions sobre la massa final en els processos de formació de forats negres.”
De fet, la detecció de GW190521 per part de Virgo i LIGO subratlla l'existència de poblacions de forats negres que no han sigut observades mai abans o que són inesperades i, en això, planteja noves i intrigants preguntes sobre els mecanismes de formació. Malgrat la duració inusualment curta del senyal, que limita la nostra capacitat per a inferir les propietats astrofísiques de la font, les anàlisis més avançades i els models disponibles actualment suggereixen que els forats negres inicials tenien rotacions significatives, és a dir, giraven ràpidament.
“El senyal mostra indicis de precesió, una rotació del pla orbital produït per rotacions de gran magnitud i orientació particular”, assenyala Tito Dal Canton, investigador del CNRS en el IJCLab en Orsay (França) i membre de la Col·laboració Virgo. “L'efecte és feble i no podem afirmar que siga present de manera categòrica, però, si fóra cert, donaria suport a la hipòtesi que els forats negres progenitors sorgeixen i viuen en entorns còsmics molt inestables i concorreguts, com un cúmul estel·lar dens o el disc d'acreció d'un nucli galàctic actiu.”
Ha sigut necessari combinar totes les diferents capacitats dels membres de les nostres col·laboracions: les millores instrumentals, el desenvolupament de models numèrics, l'anàlisi de dades i la interpretació astrofísica. “Aquest esdeveniment realment ens ha portat fins als nostres límits: l'anàlisi completa d'aquest esdeveniment i la seua exhaustiva revisió per les col·laboracions ha necessitat d'un gran nombre d'investigadors durant més de 15 mesos! Cal també recordar que encara no tenim models complets d'aquesta mena de senyals: mentre podem descriure efectes de precesió raonablement bé, els forats negres en general poden presentar també òrbites notablement excèntriques, orbitant en forma d'el·lipses en lloc de cercles quan estan allunyats entre si. Estem treballant per a incloure aquest efecte abans que LIGO i Virgo observen més senyals, amb l'ajuda del supercomputador Mare Nostrum, un dels més ràpids ordinadors a Europa”, assenyala Sascha Husa (UIB).
Diversos escenaris diferents són encara compatibles amb els resultats mostrats i fins i tot no ha sigut descartada la hipòtesi que els progenitors de la fusió puguen ser forats negres primordials. Estimem realment que aquesta fusió es va produir a una distància d'uns 17 mil milions d'anys llum.
Respecte a les deteccions anteriors d'ones gravitatòries, el senyal GW190521 observat té una duració temporal molt curta i és molt més difícil d'analitzar. A causa de la naturalesa més complexa del senyal, altres fonts més exòtiques han sigut també considerades, i aquestes possibilitats estan descrites en una publicació complementària. No obstant això, són menys probables enfront de la possibilitat que la font siga una fusió d'un sistema binari de forats negres.
“A causa de la baixa freqüència del senyal GW190521, el ‘refilet’ previ a la col·lisió, característic de les deteccions anteriors, no és tan visible en els detectors”, afig José Antonio Font de la Universitat de València (UV) i membre de la Col·laboració Virgo. “El refilet es pot reduir de manera eficient a causa de la precesió del pla orbital, però també hi ha altres situacions, potser menys probables, on s'observa el mateix efecte, com en col·lisions amb excentricitat significativa. El treball conjunt realitzat per Nicolás Sanchis Gual i Alejandro Torres Forné del grup Virgo a València, i Juan Calderón Bustillo, recolzat en simulacions numèriques i inferència estadística, revela que podria haver-hi una certa confusió quant a la mena de sistema que ha produït aquest senyal.”
“La col·laboració entre el dissenyador gràfic valencià Raúl Rubio i el grup Virgo a València ha fet possible la producció de material de difusió que il·lustra aquest descobriment”, apunta Isabel Cordero Carrión, de la UV i membre de la Col·laboració Virgo.
Cinc grups a Espanya estan contribuint a l'astronomia d'ones gravitatòries de 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 del detector per als períodes d'observació actuals i futurs. Dos grups, a la Universitat de les Illes Balears (UIB) i a l'Instituto Galego de Física de Altas Enerxías (IGFAE) de la Universitat de Santiago de Compostel·la (USC), formen part de la Col·laboració Científica LIGO; mentre que la Universitat de València (UV), l'Institut de Ciències del Cosmos de la Universitat de Barcelona (ICCUB) i l'Institut de Física d’Altes Energies (IFAE) de Barcelona són membres de Virgo.
Sobre els observatoris d’ones gravitatòries
La Col·laboració Virgo està composta actualment per uns 580 membres procedents de 109 institucions en 13 països diferents, incloent Bèlgica, França, Alemanya, Grècia, Hongria, Irlanda, Itàlia, els Països Baixos, Polònia, Portugal i Espanya. L'Observatori Gravitacional Europeu (EGO, per les seues sigles en anglés) alberga el detector Virgo prop de Pisa, a Itàlia, i és finançat pel Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) a França, l'Instituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) a Itàlia, i Nikhef als Països Baixos. Una llista dels grups de la Col·laboració Virgo pot trobar-se en http://public.virgo-gw.eu/the-virgo-collaboration/. Més informació està disponible en la pàgina web de Virgo: http://www.virgo-gw.eu.
LIGO ha sigut finançat per la National Science Foundation (NSF) i operat per Caltech i MIT, que van concebre LIGO i van liderar el projecte. L'NSF, juntament amb Alemanya (Societat Max-Planck), el Regne Unit (Science and Technology Facilities Council) i Austràlia (Australian Research Council - OzGrav) van liderar el suport econòmic per al projecte Advanced LIGO, aportant compromisos i contribucions significatives al projecte. Aproximadament 1.300 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 en https://my.ligo.org/census.php.
La contribució espanyola és finançada per l’Agència Estatal d’Investigació, 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, Recerca i Turisme, Conselleria d’Educació, i Universitats del Govern dels Illes Balears, Conselleria d’Innovació, Universitats, Ciència i Societat Digital de la Generalitat Valenciana a través dels projectes PROMETEO, programa CERCA de la Generalitat de Catalunya, i tenen el suport de la Red Española de Supercomputación (RES).