GW151226: Nueva onda gravitacional detectada por Advanced LIGO

Dibujo20160615 gw151226 ligo virgo physical review letters

Detectar una onda gravitacional requiere una relación señal/ruido alta (SNR). Hoy se ha publicado una nueva señal GW151226 con una SNR de 13, cuando GW150914 alcanzó una SNR de 24; el candidato LVT151212 sólo alcanzó 10. Se habla de 5 sigmas porque la duración de la nueva señal ha sido de casi un segundo, unos 55 ciclos de oscilación en espiral de ambos agujeros negros (para GW150914 solo fueron 0,2 segundos, unos 10 ciclos).

La señal GW151226 creció en frecuencia desde 35 hasta 450 Hz. Alcanzó una amplitud maxima de 3,4 × 10−22. Corresponde a la fusión de dos agujeros negros de 14,2 ± 8,3 y 7,5 ± 2,3 masas solares dando lugar a uno de 20,8 ± 6,1 masas con una energía emitida en ondas gravitacionales equivalente a 1 masa solar. Gracias a la gran duración de la señal se ha podido estimar la velocidad de rotación de uno de los agujeros negros que se fusionaron, un 20% de la velocidad máxima (para GW150914 no se pudo estimar ninguna). La fuente se encuentra a 440 ± 190 Mpc (unos 1400 millones de años).

Según Philip Ball se ha detectado una tercera señal, pero aún está siendo analizada. Supongo que será otro candidato como LVT151212 (el artículo científico dice que no se ha detectado ninguna otra señal). El articulo es LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration, “GW151226: Observation of Gravitational Waves from a 22-Solar-Mass Binary Black Hole Coalescence,” Physical Review Letters, 15 June 2016, doi: 10.1103/PhysRevLett.116.241103, arXiv:1606.04855 [gr-qc]. Se comparan las tres señales observadas en The LIGO Scientific Collaboration, the Virgo Collaboration, “Binary Black Hole Mergers in the first Advanced LIGO Observing Run,” arXiv:1606.04856 [gr-qc]. Recomiendo leer a Philip Ball, “LIGO Bags Another Black Hole Merger,” Physics 9: 68, 15 Jun 15 2016. Muchos medios se han hecho eco, como ya sabrás.

Dibujo20160615 noise and signal gw151226 ligo virgo physical review letters

La señal GW151226 fue todo un regalo de Navidad, ya que se observó el 26 de diciembre a las 03:38:53 UTC (en EE.UU. era 25 de diciembre). Se observó primero en LIGO Livingston y 1,1 ± 0.3 ms más tarde en LIGO Hanford. Las figuras de arriba muestran la señal en rojo y en azul, con la reconstrucción teórica en negro; abajo se muestran los espectros en función del tiempo.

La nueva señal es audible por encima del ruido de fondo, pero no se ve de forma clara en el espectro (por ello el análisis inicial que detectó GW150914 no pudo detectar a GW151226). De hecho, la SNR en LIGO Hanford fue de 10,5 y en LIGO Livingston de 7,9.

La señal GW151226 muestra unos 55 ciclos durante un segundo que crecen desde 35 Hz hasta 450 Hz, para luego amortiguarse de forma rápida. El movimiento en espiral inicial corresponde a ∼45 ciclos desde 35 hasta 100 Hz y el final que da lugar a la fusión (merger) a ∼10 ciclos desde 100 hasta 450 Hz. Para GW150914, que era mucho más masiva solo se observaron los últimos 10 ciclos. Como se han observado más ciclos, aunque la señal sea menos clara, se afirma haber logrado cinco sigmas de confianza estadística.

Dibujo20160615 snr frequency gw151226 ligo virgo physical review letters

Relación señal-ruido (SNR) y espectro en tiempo para la señal. Los picos en rojo (Hanford) y azul (Livingston) en la SNR son la marca distintiva que ha permitido la detección automática.

Dibujo20160615 black hole masses gw151226 ligo virgo physical review letters

Estimación de las masas de los agujeros negros cuya fusión ha producido la señal observada. Se observa que las distribuciones de probabilidad son asimétricas, con lo que se asigna como valor para las masas de los agujeros negros la mediana (en lugar de la media) y se ofrecen dos valores para el intervalo de incertidumbre, uno positivo y otro negativo.

Dibujo20160615 data table gw151226 ligo virgo physical review letters

Tabla con la estimación más precisa de los parámetros. La incertidumbre relativa es grande, comparada con la lograda con GW150914. Aún así la señal es clara.

Dibujo20160616 ligo events data ligo virgo

Esta tabla compara los parámetros de las tres señales observadas hasta ahora. El límite de detección de LIGO es SNR > 8, pero con poca significación salvo que SNR > 12. Las tres señales observadas corresponden a una emisión de un 5% de la suma de las masas de los agujeros negros que se fusionan. La velocidad de giro del agujero negro resultante se puede estimar bastante bien, sin embargo, la de los agujeros negros que se fusionan es mucho más difícil de estimar; por fortuna, para la nueva señal se ha logrado una estimación razonable.

Dibujo20160616 ligo events timeline ligo virgo

Esta figura muestra las tres señales observadas por LIGO, dos confirmadas a más de 5,3 sigmas y la tercera candidata que no alcanza las 2,0 sigmas. Lo importante de estas señales es que auguran un futuro muy prometedor a la astronomía de ondas gravitacionales. Sobre todo cuando a finales de año se incorpore Virgo (cerca de Pisa, Italia) junto a los dos LIGO de EE.UU. Gracias a estos tres interferómetros láser de ondas gravitacionales podremos triangular las fuentes en el cielo.

Dibujo20160616 sky position of three ligo signals ligo without virgo

Dibujo20160616 sky position of three ligo signals ligo simulating the inclusion of virgo detector

La figura de arriba muestra la región del cielo donde se debe encontrar la fuente de las tres señales observadas por LIGO. Abajo se simula lo que sabríamos sobre dicha posición si hubiera estado funcionando Virgo. En particular, para la señal más significativa, GW150914, tendríamos localizada su fuente en una región muy pequeña del cielo. El próximo año conoceremos los primeros resultados de LIGO+Virgo. Seguro que serán espectaculares.

Dibujo20160616 black hole mass chart x-ray sources and ligo sources

Por ahora, el gran resultado de LIGO es que se confirma que los agujeros negros se fusionan y que existen agujeros negros con masa estelar por encima de 20 masas solares. Los estudios mediante rayos X (emitidos por el disco de acreción de materia) nos hacían dudar sobre la existencia de agujeros negros de más de 30 masas solares. La señal GW150914 no ha dejado dudas sobre su existencia. La astronomía de ondas gravitacionales promete muchas otras sorpresas.

34 Comentarios

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U-95U-95

Esta mañana en APOD ya se olía algo cuando en vez de la imagen de día había un aviso sobre una conferencia del equipo de LIGO a las 13:30 de California.
Que no sea la última detección y que dure. A ver cuando hay suerte y toca una mucho más cercana -digamos a la distancia de Virgo-,

AlbertAlbert

Según la programación oficial, Advanced-Virgo iniciará el período observacional a finales de este año 2016. Saludos.

Berta ElenaBerta Elena

Que buena explication y què asombroso què Se Han detectado el choque de 2 agujeros negros !!
Graxiass por compartir cosas tan fabulous !!!

NestiNesti

Buenos días Francis. Muchas gracias por tu blog.
Tengo una duda, las masas iniciales de cada agujero negro por separado, son mayores a la masa del resultante de la fusión. La diferencia, aparece en la tabla como energía radiada.
Cómo es esto posible? Se supone que de los agujeros negros no puede escapar nada, no?
Es que la diferencia de las masas iniciales y la resultante, es de un 4.6%.

Francisco R. Villatoro

Nesti, en un “hoizonte de sucesos estático” (tipo Schwarzschild o tipo Kerr) se puede hablar de interior y exterior, y por tanto tiene sentido decir “nada escapa del interior”. Pero en un horizonte de sucesos dinámico (en rigor, una horizonte “aparente” dinámico), no se puede hablar de interior y exterior, no teniendo sentido la frase “nada escapa del interior”. Justo durante la fusión de dos agujeros negros no se puede decir que haya un agujero negro, se prefiere el término “merger” y no debes aplicar lo que sabes de agujeros negros al merger, que es otro cosa; por supuesto, el merger es muy inestable y decae en un agujero negro. El merger tiene un “horizonte aparente” en oscilación extrema que emite gran parte de toda la radiación gravitacional emitida (más del 75% de ese 5% que indicas). La emisión se amortigua (ring down) rápidamente hasta que desaparece cuando el merger se transforma en agujero negro (y entonces ya puedes hablar de “nada escapa”).

Oscar

Desde mi profunda ignorancia, yo pienso que este tipo de experimentos en el futuro podriamos ver y comprender que ocurre al interior de un agujero negro. Me parece increible esto de las ondas gravitacionales, no soy un experto ni mucho menos fisico para comprender tal magnitud del descubrimiento que esta haciendo el experimento Advance LIGO, pero aun asi me parece increible, me hace volar la imaginacion de solo imaginar a donde llegaremos.

planck

Lo que la ciencia es capaz de lograr es absolutamente increíble. Con la detección de nuevas ondas gravitacionales ya no hay ninguna duda de que las ondulaciones del espacio-tiempo existen y de que los agujeros negros y todos los super-extravagantes fenómenos asociados a ellos existen realmente en nuestro Universo. Realmente parece muy extraño que de repente hablemos de fusiones de agujeros negros como si se estuviesen fusionando pelotas de plastilina. Si lo pensamos detenidamente este fenómeno representa quizás el proceso más extraño que jamás se ha detectado: ¿Qué es lo que se fusiona? Un agujero negro de Schwarzschild está totalmente vacío de masa-energía, es decir, no hay más que espacio-tiempo curvado en su interior excepto en la coordenada u=0. En ese “punto” hay una fuente de masa-energía, de hecho, las ecuaciones de vacío de la RG en esa coordenada no son válidas. Según la formulación original de Einstein y Rosen en ese punto hay un agujero de gusano que conecta con otro Universo donde el tiempo está invertido. Entonces, ¿lo que se fusionan son 2 agujeros de gusano? Cada agujero de gusano une 2 Universos entonces, ¿estamos fusionando lo que antes eran dos puertas a 4 Universos distintos? Es cierto que los agujeros negros reales, formados por colapso gravitatorio quizás no tengan agujeros de gusano, pero entonces ¿Cual es la fuente de masa-energía que crea la enorme curvatura del espacio-tiempo? Resumiendo: ¿Que co**nes hay en lo más profundo de un agujero negro?
Se ha demostrado que la fuente de energía de un agujero negro de Schwarzschild tiene que ser un objeto “light-like” (que se mueve a velocidad c). Existe una posibilidad apasionante (en mi opinión) que ha sido estudiada en varios papers relativamente recientes: la fuente de masa-energía de un agujero negro puede ser una LL-BRANA (light-like brana). Lo más sorprendente es que se puede obtener, a partir de primeros principios basados en el world-volume de una LL-brana un tensor energía-momento que automáticamente resuelve la inconsistencia de la solución de Schwarzschild en u=0, explica el efecto de “arrastre” del espacio-tiempo dentro del horizonte, permite evitar la singularidad, se acopla automáticamente al horizonte y “construye” una garganta tipo worm-hole que une de forma suave ambos lados del “punto” u=0. En esta solución la masa del worm-hole no es un parámetro libre es ¡La tensión de la LL-brana! Esto parece pura ciencia ficción pero, por increíble que parezca, esto es Física teórica moderna en el dominio de la teoría de cuerdas. ¿Resolverá la teoría de supercuerdas el mayor misterio de la Física y la Cosmología Para los interesados: http://arxiv.org/abs/0904.3198v3

Rene Alexander AlvarezRene Alexander Alvarez

Vamos que no puedes tomar todo esto tan enserio, son solo construcciones de ideas que permiten dar algo de coherencia a lo que observamos, pero asumir una realidad en manos de un sistema biológico como es el hombre, es una postura filosófica un tanto presuntuosa.

planck

Rene aquí la filosofía no pinta nada :-) Es pura Física y Matemáticas aunque a la mayoría les perezcan elucubraciones sin sentido como la filosofía. Los agujeros negros son reales, las ecuaciones de la RG han sido comprobadas en cientos de experimentos y estas predicen cosas que a nosotros, pobres mortales, nos parecen irreales, pero, por supuesto, no lo son. El tema clave es que las Matemáticas modernas nos permiten ir mucho más allá de la capacidad de visualización de nuestro cerebro. Nadie va a ir jamás a un agujero negro y menos aún va a volver para contarnos lo que hay dentro pero gracias a principios fundamentales bien establecidos sabemos muchas cosas de ellos. Las Matemáticas modernas nos permiten hacer hipótesis teóricamente consistentes sobre las características de la gravedad cuántica el problema es la comprobación experimental. Quizás los futuros detectores de ondas gravitatorias nos digan algo sobre esta cuestión que sin duda es el “Santo Grial” de la Física y la Cosmología.
Las leyes fundamentales del Universo están escritas en forma Matemática, desgraciadamente muy pocos parecen poner ningún interés en entender este lenguaje. Por lo menos, mientras existan blogs como el de Francis algunos se enterarán de que en el Universo hay más cosas aparte de las tertulias, los deportes o tele5. Hay afuera hay cosas increíbles y unos pocos homínidos inteligentes tienen acceso a sus secretos más profundos a través de unos símbolos ininteligibles para el resto de homínidos ¿No parece el guión de una película de ciencia ficción?

GiroscopadoGiroscopado

Los grandes misterios de la física se esconden en los infinitos de las matemáticas.

Rene Alexander AlvarezRene Alexander Alvarez

La cosmologia es filosofía pura, no se puede aplicar el método científico al “todo”, por lo demás la ciencia es filosofía esclavizada al empirismo y observación, al hablar de la experiencia y observación no puedes negar que todo el conocimiento y percepción opera al interior del organismo viviente, haz la prueba, pegate un mazazo y ve como te las arreglas para comunicarte desde el otro mundo y me cuentas que “afuera hay cosas increíbles” que son independientes del organismo biológico, recién ahí podremos ponernos de acuerdo con tu punto de vista de esa realidad independiente del observador.

planck

Rene dice: “La cosmologia es filosofía pura, no se puede aplicar el método científico al “todo” Nunca he entendido esta clase de chorradas filosóficas pero deberías saber que la cosmología hace tiempo que forma parte de la Física sobre todo a partir de la publicación de las ecuaciones de la RG. “la ciencia es filosofía esclavizada al empirismo y observación” claro, ahora resulta que la ciencia es una rama de la filosofía, precisamente el experimento es lo que permitió distinguir entre la realidad y las estupideces filosóficas de muchos “filosofetes bajo el influjo de psicotrópicos”:-) “haz la prueba, pegate un mazazo y ve como te las arreglas para comunicarte desde el otro mundo” estos experimentos de los filosofetes siempre me han parecido “tronchantes”: me imagino a los filosofetes de siglos pasados dándose mazazos, tirándose por acantilados o arrojándose flechas para demostrar que el movimiento no existe y cosas así y me parto de risa :-)

GiroscopadoGiroscopado

Curiosamente la Teoría Nebular (de formación de cuerpos celestes), tan importante en Cosmología, fue propuesta por Descartes… Y asentada por Laplace y Kant. Creo que estos también jugaban a las chorradas filosóficas a las que Planck refiere.
Personalmente, creo que la Cosmología es una de las ramas científicas que (probablemente) maneja más errores, mentiras, falsas asociaciones y deducciones erróneas. Incluso más que la Medicina!!
No les culpo: nunca han tenido un buen “origen del Universo”, y empezar la casa por el tejado provoca casas…peculiares!

ruizvialruizvial

Lamentablemente para ti, la logica que es parte de la filosfia, si “pinta”:

1.-Para empezar todavía los resultados de LIGO se rigen por la hipótesis de coincidencia, el cual en un nivel de rigor científico, “no pinta”.

2.- Definitivamente simular una tercera recepción es absolutamente de antología, “no pinta”.

3.-Si quieres verificar la existencia de hoyos negros cotejando con señales simuladas basadas en la misma teoria de los hoyos negros, te dire que eso “no pinta” tampoco y eso es cuesta arriba.

4.-Dar señales de falso positivo en el sistema, para autentificar las señales verdaderas, no creo que sea algo de diseño de experimentos con un rigor fenomenal. Como distingues un falso negativo??. Eso “no pinta”.

5.- El graviton .. como conformidad de las señales con otros aspectos de la fisica, “no pinta”.

Enrique Moreno

Que yo sepa, cuando Einstein desarrolló la relatividad especial, el 90% de los físicos (y el 99% de los de primera fila) ya habían descartado el éter. De hecho desde el siglo anterior…

Alvaro VerdionAlvaro Verdion

Los dos fenomenos detectados por LIGO, han sido fusiones de agujeros negro. ¿Hay algun evento gravitatorio más ‘mundano’ que se pueda detectar, algo tipo “Jupiter girando alrededor del sol”? ¿O la son demasiado leves como para que se perciba?

vic_ibanezvic_ibanez

Otra posible fuente de la señal detectada por LIGO sería la explosión de una mina de dilitio en Ceti alpha 6. (Science Quiz)

vic_ibanezvic_ibanez

June 20, 2016
THE SCIENCE QUIZ

Last week, physicists at the Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) announced the second-ever observation of gravitational waves. What triggered the pulse?

Two black holes colliding
Two neutron stars merging
Two stars going supernova
An explosion in a dilithium mine on Ceti Alpha 6 <<<

(Es sólo la opción graciosa para los seguidores de Star Trek.)

AlbertAlbert

Alvaro, el planeta Júpiter solo genera 5225 W en forma de ondas gravitacionales, lo cual está muchos órdenes de magnitud por debajo del umbral de detección de LIGO.
Saludos.

Alvaro VerdionAlvaro Verdion

LISA tal vez o eso es un nivel de precisión fuera de nuestro alcance. Me lo pregunto por si pueden detectar exoplanetas con esta tecnología. Gracias

Francisco R. Villatoro

Alvaro, no, no se pueden detectar exoplanetas usando ondas gravitacionales. Se requiere un movimiento muy rápido, cercano a la velocidad de la luz en el vacío, de objetos muy compactos, agujeros negros o estrellas de neutrones, de gran masa, con campos gravitacionales muy intensos.

JoseJose

Saludos, si no entiendo mal, las ondas que detectamos corresponden a sucesos actuales, al doblar el espacio la gravedad, se transmite instantáneamente y quizá lo vean los telescopios en un futuro lejano. Es correcto lo que digo?

Francisco R. Villatoro

Jose, las ondas gravitacionales se propagan a la velocidad de la luz en el vacío (se observan primero en un detector LIGO y luego más tarde en el otro LIGO, tras justo el tiempo necesario por la luz en el vacío para recorrer la distancia que los separa).

ruizvialruizvial

Creo que el uso de la matematica no es motivo de discusión, preocupa mas que en ciencia y en conreto un modelo matematico en fisica termine siendo dogma. Ahi si estamos con problemas serios.

vic_ibanezvic_ibanez

Creo que habría que señalar la diferencia entre las múltiples señales que pueden estar registradas en el instrumento LIGO y las señales que los científicos esperan identificar como ondas gravitacionales durante el análisis de los datos almacenados.

Por supuesto nada que haya en el entorno cercano de LIGO va a producir una onda gravitacional auténtica, pero una señal registrada por cualquier circunstancia (por ejemplo, que a Kip Thorne se le caiga el casco durante una inspección) podría parecerse a la señal auténtica de una onda gravitacional esperada por los científicos. Para descartar rápidamente estas señales aleatorias del entorno se han separado los laboratorios de LIGO miles de kilómetros.

Además en el sistema se introducen en secreto señales virtuales de ondas gravitacionales, las llamadas inyecciones, para el mantenimiento del equipo y que en alguna ocasión han puesto en un aprieto a los científicos de LIGO que han dado por buena una señal intencionadamente falsa.

PlanskyPlansky

Wachovsky también ama a Francis y su blog que lo deleita día tras día, mes tras mes y año tras año. En algo coincide con planck el pequeño, los dos adoramos al gran Max Karl Ernst Ludwig Planck.

AlbertAlbert

Hoy he visto que dos físicos del ICREA, Roberto Emparan y, Marina Martínez, han publicado un paper en el que calculan de forma analítica exacta el horizonte de sucesos de la fusión de 2 agujeros negros en el caso particular de que uno de ellos sea mucho mayor que el otro: Exact Event Horizon of a Black Hole Merger
https://arxiv.org/pdf/1603.00712v3.pdf
Saludos.

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