26 de marzo de 2019
26.03.2019
Astronomía

Valencianos a la caza de "arrugas" en el espacio-tiempo

Un equipo de la Universitat participa en la colaboración LIGO-Virgo, el observatorio de ondas gravitacionales más sensible del mundo

26.03.2019 | 17:48
El espejo masa prueba de Virgo, en el interior de su cabina.

La veda de la caza de ondas gravitacionales se abre de nuevo el próximo lunes 1 de abril cuando el detector europeo Virgo, con base en Pisa (Italia) en el Observatorio Gravitacional Europeo (EGO, por sus siglas en inglés), y los detectores gemelos de LIGO financiados por la Fundación Nacional para la Ciencia american  (NSF, en inglés), situados en los estados de Washington y Louisiana (EE UU), comenzarán a tomar datos para convertirse, conjuntamente, en el observatorio de ondas gravitacionales más sensible hasta la fecha.

El doble interferómetro LIGO de EE UU entró en la historia en 2015 al detectar por primera vez de forma directa las esquivas ondas gravitatorias. Este hallazgo, el mayor descubrimiento del siglo para gran parte de la comunidad científica, supuso la confirmación de la existencia de los agujeros negros. Además, las ondas gravitatorias era la última de las predicciones por confirmar de la teoría de la relatividad general que Einstein formuló en 1915, justo 100 años antes.

El descubrimiento del siglo que ya ha alumbrado un Nobel de Física

Este hallazgo abrió una segunda ventana al conocimiento del Universo después de la abierta en el siglo XVII por Galileo y su rudimentario telescopio, ya que, a la radiación electromagnética (fotones, luz), se sumo la radiación gravitatoriagenerada por la aceleración de grandes masas producidas al colisionar dos agujeros negros en un sistema binario. Estos fenómenos violentos son extragalácticos, pues tuvieron lugar en el Universo primitivo poco después del Big Bang.

En el primer episodio de ondas gravitarias detectado por LIGO en 2015, las ondulaciones o arrugas en el espacio-tiempo viajaron a la Tierra procedentes de la colisión de dos agujeros negros situados a 1.300 millones de años luz. Este descubrimiento se premió con el Nobel en Física en 2017. Virgo no la observó al estar parado entonces por una actualización.

Durante el tercer período de observaciones (llamado O3), que durará un año, la colaboración LIGO-Virgo registrará datos científicos de manera continua, y los tres detectores operarán como un observatorio global. Desde agosto de 2017, cuando terminó el segundo período de observación (O2), las dos colaboraciones han trabajado intensamente en sus interferómetros para mejorar la sensibilidad y fiabilidad.

"Para este tercer período de observación, hemos alcanzado mejoras significativamente más importantes con respecto a la sensibilidad de los detectores del último período", dice Peter Fritschel, científico jefe del detector LIGO en el Massachusetts Institute of Technology (MIT) de Boston. "Y con LIGO y Virgo observando juntos durante el próximo año, detectaremos con seguridad muchas más ondas gravitacionales y de más tipos de fuentes que jamás hemos visto. Estamos ansiosos por ver también nuevos eventos, tales como la colisión de un agujero negro y una estrella de neutrones."

Desde el primer hallazgo directo de ondas gravitatorias en 2015, la red de detectores LIGO-Virgo ha descubierto 9 fusiones adicionales de agujeros negros y un choque explosivo de dos estrellas de neutrones. Ese evento, etiquetado como GW170817, generó no sólo ondas gravitacionales sino también luz, que fue observada por docenas de telescopios terrestres y espaciales.

"Con nuestros tres detectores operativos en este momento con una sensibilidad significativamente mejorada, la red global de detectores LIGO-Virgo espera realizar varias nuevas detecciones. Además permitirá la triangulación precisa de las fuentes de ondas gravitacionales. Esto será un paso importante hacia nuestra búsqueda en la astronomía de multi-mensajeros (fenómenos astronómicos observables por distintos canales, como luz y ondas gravitacionales)", comenta Jo van den Brand de Nikhef (Dutch National Institute for Subatomic Physics) y VU University Amsterdam, portavoz de la colaboración Virgo.

Tomará datos sin descanso las 24 horas al día durante todo un año

"Ir desde la época pionera que condujo al descubrimiento histórico hasta la época actual de observaciones, donde el interferómetro y la infraestructura tendrán que operar impecablemente 24 horas al día, 7 días a la semana, durante un año completo, era y continúa siendo un desafío considerable", dice Stavros Katsanevas, Director de EGO.

La sensibilidad del detector se suele dar en términos de la distancia a la que se puede observar la fusión de un sistema binario de estrellas de neutrones. "Durante O2 Virgo Avanzado podía observar eventos asociados a estrellas de neutrones hasta una distancia de 88 millones de años luz", comenta Alessio Rocchi, investigador del INFN y coordinador de la puesta en marcha de Virgo. "Ambas colaboraciones LIGO y Virgo han estado trabajando para mejorar la sensibilidad de los detectores, aprovechando también las actualizaciones instaladas en los interferómetros. No ha sido un camino directo en absoluto pero ciertamente muy gratificante."

"La calidad de los datos registrados por los instrumentos es un factor determinante para detectar señales de ondas gravitacionales enterradas en el ruido y medir sus propiedades", dice Nicolas Arnaud, investigador del CNRS actualmente promocionado a coordinador de caracterización del detector de EGO y Virgo. "Se ha conseguido progresar mucho en esa dirección desde O2, gracias al esfuerzo combinado de toda la colaboración, desde los instrumentalistas a los analistas de datos".

Se espera que el resultado científico de O3 sea revolucionario, y potencialmente revelará nuevas señales emocionantes procedentes de nuevas fuentes tales como la fusión de sistemas binarios compuestos por un agujero negro y una estrella de neutrones. O3 tendrá asimismo como objetivo las ondas gravitacionales de larga duración, producidas por ejemplo por estrellas de neutrones girando de manera no simétrica con respecto a su eje de rotación. Sin embargo, la detección de tales señales, así como las de aquellas procedentes de explosiones supernova producidas tras el colapso de núcleos estelares y otras fuentes, es todavía un desafío enorme y la colaboración LIGO-Virgo está trabajando para conseguir este objetivo.

Además, gracias a las actualizaciones de Virgo y LIGO, se espera que señales procedentes de la fusión de agujeros negros, tales como GW150914, la primera detección de ondas gravitacionales, sean muy comunes, hasta una por semana. Los científicos también esperan observar quizás hasta decenas de fusiones de estrellas de neutrones, como GW170817, que abrió la era de la astronomía de multi-mensajeros así como proporcionó revelaciones en la evolución de sistemas binarios, la física nuclear, la cosmología y la física fundamental.

"Mejor comprensión del universo violento"

Los científicos también han mejorado el análisis de los datos a posteriori y en tiempo real, y han desarrollado aún más los procedimientos para el comunicado de las Alertas Públicas Abiertas: notificarán en cuestión de minutos a las comunidades de física y astronomía la observación de un candidato potencial de ondas gravitacionales. "El nuevo software que hemos construido es capaz de enviar Alertas Públicas Abiertas en 5 minutos", dice Sarah Antier, investigadora postdoctoral en la Université Paris Diderot y responsable del programa de baja latencia de la colaboración Virgo. "Esto permitirá hacer un seguimiento de la señal de onda gravitacional con búsquedas electromagnéticas y de neutrinos, conduciendo por tanto a descubrimientos en la astronomía de multi-mensajeros. Las observaciones de muchas señales, que se espera tengan lugar durante O3, proporcionarán un censo de la población de remanentes de masa estelar y una mejor comprensión del universo violento."

Desde agosto de 2017 ambas colaboraciones, LIGO y Virgo, han actualizado sus observatorios y los han puesto a prueba. En particular, Virgo ha reemplazado por completo los cables de acero que fueron usados en O2 para suspender los 4 espejos principales del interferómetro de 3 km de longitud: los espejos ahora están suspendidos con fibras de silicio fundidas muy finas (en esencia, cristal), un procedimiento que ha permitido incrementar la sensibilidad en la región de frecuencias bajas y medias, y que ha tenido un impacto dramático en las capacidades de detección de fusiones de sistemas binarios de objetos compactos.

Una segunda importante actualización fue la instalación de una fuente de láser más potente, que mejora la sensibilidad a frecuencias altas. Por último, si bien no menos importante, ahora se inyectan estados de vacío comprimidos en Virgo Avanzado, gracias también a una colaboración con el Instituto Albert Einstein en Hannover, Alemania. Esta técnica aprovecha la naturaleza cuántica de la luz y mejora la sensibilidad a altas frecuencias.

La técnica de inyección de estados de vacío comprimidos es una actualización significativa también implementada en los dos interferómetros LIGO en los Estados Unidos para el próximo período de observación. Además, se ha doblado la potencia del láser con el objetivo de medir de manera más precisa el efecto del paso de ondas gravitacionales. Se han llevado a cabo otras actualizaciones en los espejos de LIGO en ambos observatorios, con un total de 5 de los 8 espejos reemplazados por versiones con mejor rendimiento.

"Teníamos que romper las fibras que sostenían a los espejos, sacarlos con mucho cuidado y reemplazarlos", comenta Calum Torrie, jefe de ingeniería del sistema óptico-mecánico de LIGO en Caltech. "Fue una tarea de ingeniería enorme."

Se espera que el detector japonés KAGRA se una a la red global LIGO-Virgo en la última parte de O3, aumentando las capacidades de detección y apuntamiento de la red global.

Cinco grupos en España están contribuyendo a la astronomía de ondas gravitacionales de LIGO-Virgo, en áreas que van desde el modelado teórico de las fuentes astrofísicas hasta la mejora de la sensibilidad del detector para los períodos de observación actuales y futuros.

Dos grupos, en la Universitat d'Illes Balears (UIB) y el Instituto Galego de Física de Altas Enerxias (Igfae) de la Universidade de Santiago de Compostela (USC), forman parte de la Colaboración Científica LIGO, mientras que la Universitat de València (UV), el Institut de Ciències del Cosmos de la Universitat de Barcelona (Iccub) y el Institut de Física d'Altes Energies (IFAE) de Barcelona son miembros de Virgo.

Valencianos en la frontera del conocimiento

El grupo Virgo de la Universitat de València, compuesto por miembros del departamento de Astronomía y Astrofísica y del departamento de Matemáticas, está dirigido por el profesor Toni Font. Este equipo espera con expectación la promesa de O3 de aumentar el número de detecciones de sistemas binarios de estrellas de neutrones y, quizás, las primeras observaciones de sistemas aún no detectados jamás, como las fusiones mixtas de un agujero negro y una estrella de neutrones y las explosiones supernova producidas tras el colapso de núcleos estelares (este último escenario bastante improbable debido a la baja amplitud de la onda gravitacional y la reducida tasa de eventos).

Fuentes astrofísicas de ondas gravitacionales como estrellas de neutrones y progenitores de supernovas son los focos principales del grupo Virgo en València, con respecto a la investigación relativa al modelado de formas de onda a través de simulaciones de relatividad numérica, estimación de parámetros, y análisis de datos. Además, estos escenarios son los candidatos principales para realizar el seguimiento de observaciones de señales electromagnéticas asociadas, un programa de investigación en el que el grupo de la Universitat de València estará también involucrado durante O3.

LIGO está financiado por la NSF y operado por The California Institute of Technology (Caltech) y MIT, que concibieron LIGO y condujeron a los proyectos de LIGO Inicial y Avanzado. El apoyo económico para el proyecto LIGO Avanzado fue liderado por la NSF junto con Alemania (Sociedad Max Planck), el Reino Unido (Consejo de Instalaciones Científicas y Tecnológicas, Science and Technology Facilities Council en inglés) y Australia (Consejo OzGrav australiano de Investigación, Australian Research Council-OzGrav en inglés) realizando compromisos significativos y contribuciones al proyecto. Casi 1300 científicos de todo el mundo participan en el esfuerzo conjunto a través de la Colaboración Científica LIGO, que incluye a la Colaboración GEO.

La Colaboración Virgo está compuesta actualmente por unos 350 científicos, ingenieros y técnicos de alrededor de 70 instituciones de Bélgica, Francia, Alemania, Hungría, Italia, los Países Bajos, Polonia y España. El Observatorio Europeo Gravitacional (EGO, por sus siglas en inglés) acoge al detector Virgo cerca de Pisa en Italia, y ha sido fundado 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.

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