La UIB participa en la detección, por primera vez, de ondas gravitacionales causadas por la fusión de estrellas de neutrones y agujeros negros

Los modelos elaborados por el grupo de investigación GRAVITY de la Universidad de las Illes Balears han servido para identificar el origen de las dos señales detectadas en enero de 2020 por los detectores de LIGO y Virgo.

Este hallazgo permite confirmar la existencia de una nueva fuente de ondas gravitacionales. 

Los detectores de ondas gravitacionales de LIGO y Virgo han detectado por primera vez dos señales de ondas gravitacionales procedentes de la fusión de un fenómeno hasta ahora nunca observado: la fusión de agujeros negros y estrellas de neutrones. En este hallazgo participaron investigadores del grupo de investigación en Física Gravitacional: Teoría y Observación (GRAVITY) de la Universidad de las Illes Balears.

Las dos ondas gravitacionales, GW200105 y GW200115, fueron detectadas los días 5 y 15 de enero de 2020 y se generaron a una distancia superior a los 900 millones de años luz de nuestro planeta, tras la captura de las estrellas de neutrones por parte de los agujeros negros. Es la primera vez que se observan ondas gravitacionales procedentes de una combinación de estrellas de neutrones y agujeros negros.

Hasta ahora, solamente se habían podido confirmar ondas gravitacionales causadas por la fusión de pares de agujeros negros y de pares de estrellas de neutrones, por lo que se prevé que estos descubrimientos arrojen nuevos datos sobre el nacimiento, la vida y la muerte de las estrellas, así como sobre los entornos en los que se forman.

Estos resultados se recogen en un artículo publicado el martes 29 de junio de 2021 en la revista científica Astrophysical Journal Letters, en el que figuran como autores los investigadores de la UIB Alícia Sintes, Sascha Husa, David Keitel, Marta Colleoni, Héctor Estellés, Maite Mateu-Lucena, Cecilio García-Quirós, Rafel Jaume, Rodrigo Tenorio y Pep Covas, además de investigadores de LIGO, Virgo y Kagra.

El primero de los dos eventos, GW200105, fue detectado por los observatorios LIGO en Livingston (Luisiana, Estados Unidos) y Virgo (Italia) el 5 de enero de 2020. A partir de la señal de onda gravitacional, los astrónomos pudieron inferir que esta se generó a una distancia de 900 millones de años luz de la Tierra y que procedía de la fusión de un agujero negro de 8,9 masas solares y un objeto compacto menor, de 1,9 masas solares: una estrella de neutrones.

El segundo evento, GW200115, fue detectado solo diez días después, el 15 de enero de 2020, por los dos observatorios de LIGO (Livingston y Hanford) y el detector Virgo (Italia). La señal procedía de la fusión de un agujero negro de 5,7 masas solares y una estrella de neutrones de 1,5 masas solares a una distancia de 1.000 millones de años luz de nuestro planeta.

La participación de la UIB

Una contribución clave del grupo GRAVITY de la UIB en la colaboración LIGO es el modelado de las formas de onda emitidas por sistemas binarios, compuestos por agujeros negros o estrellas de neutrones. Estos modelos se utilizan para identificar las fuentes y estimar sus parámetros, como sus masas o la distancia. Este es un proceso muy costoso computacionalmente y requiere el empleo de superordenadores.

En la UIB, Sascha Husa lidera, desde 2008, un programa para desarrollar modelos de forma de onda más eficientes desde el punto de vista computacional. En una serie de siete publicaciones recientes, el grupo GRAVITY ha presentado una nueva generación de estos modelos aún más precisos. Estos modelos han sido uno de los que se han utilizado para estimar los parámetros de las fuentes de GW200105 y GW200115.

El grupo de la UIB ha estado directamente involucrado en el análisis de estas señales, parte del cual se llevó a cabo en el superordenador Mare Nostrum de Barcelona. “Capturar la señal de un evento tan elusivo como la fusión de un agujero negro y de una estrella de neutrones es un acontecimiento excepcional y estamos orgullosos de que nuestro equipo haya contribuido directamente a este descubrimiento”, declara Marta Colleoni, investigadora del grupo GRAVITY. 

El grupo de la UIB, liderado por la doctora Alícia Sintes, ha participado en la colaboración científica LIGO desde sus inicios. En el marco de LIGO, los investigadores de la UIB participaron anteriormente en un hecho histórico para la ciencia: la primera detección de ondas gravitacionales, ondulaciones del espacio-tiempo que llegan a la Tierra a la velocidad de la luz procedentes de un hecho catastrófico en el universo. Este descubrimiento fue merecedor del premio Nobel de Física en el año 2017.

Estrellas de neutrones y agujeros negros

Sabemos que las señales se produjeron a través de la fusión de objetos extremadamente compactos, ya que estrellas menos densas habrían sido completamente destrozadas antes de fusionarse, debido a la intensidad de la atracción gravitacional. A pesar de sus reducidas dimensiones (varias decenas de kilómetros), las estrellas de neutrones son tan masivas como nuestro Sol. Su origen se encuentra en las supernovas, explosiones estelares de gran intensidad que se producen cuando una estrella masiva agota su combustible nuclear y muere de forma catastrófica. En el caso de GW200105 y GW200115, los objetos más ligeros encajan perfectamente en la población de estrellas de neutrones observada hasta ahora. Por su parte, los agujeros negros son regiones del espacio-tiempo con una gravedad tan intensa que evita que cualquier cosa, incluso la luz, pueda escapar.

Las colaboraciones LIGO y Virgo

LIGO ha sido financiado por la National Science Foundation (NSF) y operado por Caltech y MIT, que concibieron LIGO y lideraron el proyecto. El NSF, junto con Alemania (Sociedad Max-Planck), el Reino Unido (Science and Technology Facilities Council) y Australia (Australian Research Council - OzGrav), lideraron el apoyo económico para el proyecto Advanced LIGO, aportando compromisos y contribuciones significativas al proyecto. Aproximadamente 1.400 científicos de todo el mundo participan en las tareas de la Colaboración Científica LIGO, que incluye la Colaboración GEO. Una lista de los colaboradores adicionales está disponible en https://my.ligo.org/census.php.

La Colaboración Virgo está compuesta actualmente por unos 650 miembros procedentes de 119 instituciones en 14 países diferentes, incluyendo Bélgica, Francia, Alemania, Grecia, Hungría, Irlanda, Italia, los Países Bajos, Polonia, Portugal y España. El Observatorio Gravitacional Europeo (EGO, por sus siglas en inglés) alberga el detector Virgo cerca de Pisa, en Italia, y está financiado por el Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), en Francia; el Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) en Italia; y Nikhef, en los Países Bajos. Una lista de los grupos de la Colaboración Virgo puede encontrarse en http://public.virgo-gw.eu/the-virgo-collaboration/. Más información, disponible en la página web de Virgo: http://www.virgo-gw.eu.

Seis grupos españoles contribuyen al estudio y análisis de las ondas gravitacionales detectadas por LIGO-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 períodos de observación actuales y futuros. Dos grupos, en la Universidad de las 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), 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 financiada por la Agencia Estatal de Investigación, el Ministerio de Ciencia e Innovación y el Ministerio de 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, la Conselleria de Fons Europeus, Universitat i Cultura del Govern de les Illes Balears, Conselleria d’Innovació, Universitats, Ciència i Societat Digital de la Generalitat Valenciana a través de los proyectos PROMETEO, el programa CERCA de la Generalitat de Catalunya, y tienen el apoyo de la Red Española de Supercomputación (RES).

Referencia bibliográfica

Abbott et al. Observation of Gravitational Waves from Two Neutron Star–Black Hole Coalescences. The Astrophysical Journal Letters, 915:L5 (24pp), 2021 July 1. https://doi.org/10.3847/2041-8213/ac082e 

Más información en la web de la colaboración científica LIGO.

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Fecha de publicación: 29/06/2021