Els científics dels observatoris d’ones gravitatòries 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
telescòpiques, i podria ajudar a explicar la formació de forats negres
supermassius de milions de masses solars que trobem al centre de moltes
galàxies com la nostra. A més, els dos forats negres inicials, si van
sorgir del col·lapse final d’estrelles amb resultat de supernova, se
situen en un rang de masses en el qual la seua existència 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.
En definitiva, aquests forats negres van existir però no sabem com era
possible que existiren segons el que coneixem.
Els forats negres es creen com a resultat explosiu com a supernova
d’un estel massiu. La massa màxima d’una estrella és d’unes 120 masses
solars. Durant l’explosió s’expulsa gran part de la massa i el que queda
col·lapsat al nucli formarà una estrella de neutrons o un forat negre.
Els
models preveuen
masses dels forats negres creats d’un màxim de 20 masses solars. Per
tant, com és possible que existeixen forats negres de 66 o 85 masses
solars? Quin és el seu origen?
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
telescòpiques. 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
11 mil milions d’anys llum de la Terra. Dos articles científics que
informen sobre el descobriment i les seues implicacions astrofísiques
han sigut publicats hui en
Physical Review Letters i en
Astrophysical Journal Letters respectivament.
Crèdit: LIGO/Caltech/MIT/R. Hurt (IPAC).
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 (la Via Làctia en té un de 4
milions de masses solars), podrien sorgir de la fusió de forats negres
de massa intermèdia “més menuts”.
Fins hui, molt pocs candidats a forats negres de
massa intermèdia han sigut identificats únicament a través
d’observacions telescòpiques i l’objecte final creat en l’esdeveniment
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.
Crèdit: LIGO/Caltech/MIT/R. Hurt (IPAC)
“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.”
Crèdit: LIGO-Virgo/ Northwestern U. / Frank Elavsky & Aaron Geller.
Les components i la dinàmica del sistema binari
coalescent 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 precessió, 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 11 mil milions d’anys llum (
tècnicament la distància de lluminositat de la font és de 5.3
-2.6 +2.4 Gpc, que corresponen un corriment al roig de 0.82
+0.28−0.34)
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.
A l’estat espanyol cinc grups 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.
Una informació més tècnica pot llegir-se en aquest article
GW190521: La colisión de agujeros negros más masiva observada hasta la fecha. Ligo-Virgo Collaboration.
