GW170104: la tercera onda gravitacional de Advanced LIGO

Dibujo201706902 waveform analysis GW170104 Hanford Livingston Model PhysRevLett 118 221101

No hay dos sin tres. Advanced LIGO (aLIGO) no podía ser la excepción. El pasado 4 de enero de 2017, aLIGO observó durante 0,12 segundos la señal GW170104. Se interpreta como la fusión de dos agujeros negros con 32 y 19 masas solares dando lugar a uno de 49 masas solares, emitiendo 2 masas solares en energía gravitacional. El agujero negro final rota al 64% de la velocidad máxima posible.

La señal fue observada unas horas antes de que la Tierra llegara a su perihelio, por ello en la Colaboración LIGO/Virgo se la llama Perihelion Event. Aunque algunos miembros trekkies prefieren el nombre Enterprise-D Event, ya que el número de registro de la USS Enterprise en Star Trek es NCC-1701. Obviando estas curiosidades, la fuente se encuentra entre 490 y 1330 Mpc (megapársecs), que corresponde a z ~0,18 (algo más lejos que GW150914), aunque no ha sido posible localizarla con precisión en el cielo.

Hasta finales de mayo, aLIGO ha anunciado 7 alertas de posibles señales. Quizás la mitad de estas señales sean ondas gravitacionales que se anuncien en los próximos meses. Sin lugar a dudas las ondas gravitacionales recibirán el Premio Nobel de Física de 2017, como predije el año pasado. Para los interesados en los detalles de primera mano, el artículo científico es LIGO Scientific and Virgo Collaboration, “GW170104: Observation of a 50-Solar-Mass Binary Black Hole Coalescence at Redshift 0.2,” Phys. Rev. Lett. 118: 221101 (01 Jun 2017), doi: 10.1103/PhysRevLett.118.221101 [open access]; arXiv:1706.01812 [gr-qc]. Recomiendo leer a Christopher Berry, “GW170104 and me,” 01 Jun 2017, y “LIGO Catches its Third Gravitational Wave!” 01 Jun 2017.

Dibujo201706902 time-frequency plot GW170104 Hanford Livingston chirp PhysRevLett 118 221101

La señal GW170104, como ocurrió con GW150914, se observa perfectamente en este diagrama frecuencia/tiempo. Por tanto, también es audible cuando se interpreta como onda sonora cuya frecuencia crece desde unos 40 Hz hasta unos 400 Hz; conviene subir un poco el tono para facilitar la audición. En la imagen se observa la señal de Hanford, arriba, y de Livingston, abajo.

Dibujo201706902 waveform analysis GW170104 Hanford Livingston PhysRevLett 118 221101

Esta figura muestra el análisis de la forma de onda de la señal GW170104. En naranja se muestra la estimación usando ondículas (wavelets), sin asumir ninguna forma patrón para la señal. En azul se muestra el mejor ajuste a la predicción teórica del perfil de la onda observada; la predicción es la de la teoría general de la relatividad para la fusión de dos agujeros negros tipo Kerr en rotación mutua. Como puedes comprobar el ajuste es muy bueno.

Dibujo201706902 black hole masses GW170104 2D plot PhysRevLett 118 221101

Esta figura muestra las distribuciones de probabilidad de las masas de los agujeros negros que se fusionaron para dar lugar a GW170104. En el plano se observan los contornos al 50% y al 90% de confianza estadística. Las masas estimadas son algo menores, pero similares a las de la señal GW150914. Sin lugar a dudas hay toda un población de sistemas binarios de agujeros negros con masas en el rango de las 30 masas solares.

Dibujo201706902 effective inspiral spin black hole GW170104 2D plot PhysRevLett 118 221101

Los agujeros negros astrofísicos corresponden a la solución matemática para un agujero negro tipo Kerr, es decir, se caracterizan por una masa y por un momento angular (llamado espín). Como la señal se ha observado solo durante 0,12 décimas de segundo no ha sido posible estimar con precisión el espín de los agujeros negros que se han fusionado. Aun así, se han estimado dos parámetros efectivos relacionados con el espín del sistema binario en su conjunto (cierto promedio de los espines y masas individuales de la pareja de agujeros negros). El parámetro de espín efectivo durante la fase de acercamiento en espiral (effective inspiral spin parameter) χeff tiene un valor entre +1, cuando ambos espines apuntan en la misma dirección y ésta corresponde a la de su movimiento orbital, y −1, cuando su dirección común es opuesta a la del movimiento orbital, siendo 0 cuando los agujeros negros no rotan o sus espines individuales apuntan en direcciones opuestas. El parámetro de espín efectivo asociado a la precesión (effective precession spin parameter) χp tiene un valor entre 0 si no hay precesión y +1 cuando la precesión es máxima, siendo ésta el movimiento del vector suma de los espines de de los agujeros negros respecto al eje de giro de su movimiento orbital plano. Como en el caso de la señal GW150914, poco se puede decir a partir de esta figura, salvo que χeff = −0,12 ± 0,30 y que χp es arbitrario. Con estos valores solo se descartan los casos extremos χeff = +1, y χeff = −1. Poco más.

Dibujo201706902 final black hole mass spin GW170104 2D PhysRevLett 118 221101

Esta figura muestra la estimación de la masa y del espín del agujero negro final, resultado de la fusión. El espín es af = 0,64 ± 0,20, que corresponde a rotar al 64% de la velocidad máxima de rotación, y la masa es Mf = 50,7 ± 0,6 masas solares. La figura muestra las distribuciones de probabilidad para estos parámetros. Por cierto, sus valores se suelen presentar en el formato de un diagrama de bigotes, es decir, Mf = 48,7+5,7−4,6, que indica que la mediana es 48,7, que la media más la dispersión alcanzan 48,7+5,7 = 54,4, y que la media menos la dispersión dan 48,7-4,6 = 44,1, siendo todo ello equivalente a Mf = 49,25 ± 5,15.

Dibujo201706902 parameter table GW170104 PhysRevLett 118 221101

Dibujo201706902 global parameter table GW170104 PhysRevLett 118 221101

Estas tablas resumen los parámetros estimados para la fuente de la señal GW170104. Arriba una tabla resumen y abajo la tabla detallada con los resultados obtenidos con los dos modelos teóricos (IMRPhenomPv2 y SEOBNRv3) usados para estimar dichos parámetros y su promedio. Entrar en los detalles de estas tablas puede llevarnos lejos, pero las muestro para ilustrar el gran número de parámetros que hay que estimar en los análisis de ondas gravitacionales. De hecho, el número de parámetros es aún mayor y aquí solo se muestran los parámetros que se han podido estimar con los modelos teóricos usados. Un sistema binario de agujeros negros tipo Kerr que se fusionan es un sistema físico muy complicado. Por fortuna, gracias a las señales observadas por LIGO, ahora estamos empezando a explorarlo.

Dibujo201706902 luminosity inclination angle sky source GW170104 2D PhysRevLett 118 221101

Dibujo20170602 sky position gw170104

Los dos interferómetros de aLIGO en EE.UU. no permiten una estimación fiable de la región en el cielo donde se encuentra la fuente de una onda gravitacional. La adición [planificada en el G1501561- v10] a finales de marzo de Advanced Virgo en Italia [por el Joint Run Planning Committee], se ha retrasado a finales de junio [planificación en el G1501561- v11], que permitirá mejorar estas estimaciones, mejorando la triangulación de la fuente [entre finales de junio hasta finales de agosto]. Por ahora, tanto la distancia como la posición en el cielo tienen bastante incertidumbre.

En resumen, como era de esperar, LIGO ha observado una nueva onda gravitacional de gran intensidad y está analizando otros seis candidatos, entre los que se encontrarán algunas más. Sin lugar a dudas la astronomía de ondas gravitacionales está dando pasos firmes hacia un esplendoroso futuro.

29 Comentarios

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AgubermAguberm

Tuve la oportunidad de ver a Thorne en directo en una charla en la Pedrera en Barcelona. Es lo más cerca que me he sentido nunca en mi vida de ser un groupie, y eso que no soy del campo.

Nos explicó todas la sorpresas que puede depara el.estudio de las gw… Aún sonrío solo de pensarlo

Francisco R. Villatoro

Kike, no puedo, porque entonces no serían sorpresas, mis palabras son una conjetura, como es obvio. Lo cierto es que esperamos observar otros objetos aparte de sistemas binarios de agujeros y estrellas de neutrones; dichos hipotéticos objetos (hay decenas de propuestas teóricas) requerirán un análisis preciso y detallado del ringdown (la amortiguación final de la señal gravitacional); faltan unos cinco años para que tengamos una red mundial de detectores gravitacionales que nos permita un análisis preciso, y unos 20 años para que la red tenga el tamaño de la órbita de la Tierra alrededor del Sol, pero sin lugar a dudas habrá sorpresas (en ciencia siempre las hay, siempre). Por supuesto, dirás que son solo esperanzas. Y lo cierto es que lo son.

AgubermAguberm

Seguro que lo digo mal, pero la más grande sería poder ver el “nacimiento” de las fuerzas fundamentales.
Luego había menciones a interacciones entre superestructuras en forma de cuerdas que tb deberían producir gw…
Jo! Lo siento, ya véis que me cae muy lejos todo esto.

Fue una gozada la verdad.
Un punto interesante fue los otros sistemas que se están constryendo para captar gw de minutos, horas o años.

Igor BarsetskyIgor Barsetsky

Francis, disculpa mi ignorancia….podrías nombrarnos a quienes se les atribuiría el Premio Nobel de Física 2017 por la detección de las ondas gravitacionales?

Francisco R. Villatoro

Igor, se considera que los padres “vivos” de LIGO recibirán el Nobel este año. Ronald W.P. Drever (1931-2017) ya no podrá recibirlo, y su enfermedad era la razón por la que algunos predijeron que el Nobel sería concedido el año pasado, aunque las fechas no cuadraban bien. Ahora mismo los futuros nobeles son Kip S. Thorne (Caltech, EE.UU.) y el gran “padre” Rainer Weiss (MIT, EE.UU.), ya en la alfombra roja para el Nobel desde el año pasado. ¿Estarán acompañados por un tercero o lo recibirán ellos dos solos como ya ocurrió con el bosón de Higgs? Nadie la sabe, pero si hubiera un tercero sería Barry Barish (Caltech, EE.UU.). En mi opinión lo recibirán Thorne y Weiss que destacarán el gran papel de Drever, como lo recibieron Higgs y Englert destacando el gran papel de Brout.

Francisco R. Villatoro

Aguberm, en octubre podrás decir que viste en directo a un Premio Nobel de Física, que además ha sido productor ejecutivo de una película que ha recibido un Óscar y que está entre los mejores divulgadores de la física en la actualidad.

AlbertAlbert

Muchas gracias por informar.
El paper dice: “To check the consistency of the observed signals with the predictions of GR for binary black holes in quasicircular orbit, we employ a phenomenological approach that probes how gravitational-wave generation or propagation could be modified in an alternative theory of gravity”
Para concluir con:
“In all cases, we find that GW170104 is consistent with general relativity”
¿Se puede considerar otro palo a las teorías MOND?
Saludos.

Francisco R. Villatoro

Albert, las teorías MOND solo se aplican a sistemas con una aceleración extremadamente pequeña; la interacción de objetos compactos en sistemas binarios, tanto si son estrellas de neutrones como agujeros negros, implica aceleraciones enormes (casi las más altas que podemos imaginar); por ello, la propuesta MOND original (y ninguna de sus variantes en la línea de TeVeS), predice nada que pueda ser observado en estos sistemas con interacción gravitacional fuerte (es decir, aceleraciones altas), justo el límite más opuesto posible al que aplican estas ideas teóricas exóticas.

Francisco J. CruzFrancisco J. Cruz

La escala temporal de las gráficas viene en segundos, con cifra significativa hasta la décima de segundo, así que salvo error u omisión entiendo que a 0,12 s.

U-95U-95

Es muy difícil, pero a ver cuando consiguen detectar la fusión de dos agujeros negros supermasivos como los que hay en los centros de galaxias. Y si no al menos algo que pase mucho más cerca, a la distancia de Virgo o mejor más próximo.

¿Las ondas gravitacionales son emitidas de forma esférica o lo son de manera más anisotrópica?

Francisco R. Villatoro

U-95, las fusiones de agujeros negros emiten ondas gravitacionales con una longitud de onda similar a la suma de los radios de dichos agujeros negros. Estamos observando fusiones de agujeros negros de radios de cientos de kilómetros porque observamos con los detectores de LIGO que pueden observar ondas con dicha longitud de onda (sus brazos tienen 4 km, pero los pulsos de luz rebotan entre sus espejos (masas de prueba) unas 250 veces). Las ondas gravitacionales producidas por las fusiones de agujeros negros supermasivos tienen un tamaño similar a la órbita de la Tierra y solo se podrán observar con interferómetros de dicho tamaño; el futuro interferómetro espacial eLISA (ESA+NASA) podrá observarlas en la década de los 2030, pero en la actualidad es imposible hacerlo.

Por otro lado, la emisión de ondas gravitacionales corresponde a ondas cuadripolares, que no tienen simetría esférica, como la emisión monopolor sonora, ni tampoco forma bilobulada con un plano nodal, como la emisión dipolar electromagnética, sino una forma con cuatro lóbulos, que se parece a la forma “esférica” pero con dos planos nodales; por tanto, siempre ocurrirá que uno de los dos brazos del interferómetro observará la señal, a diferencia del caso dipolar en el que se requiere que la antena o telescopio no apunte al único plano nodal de las ondas electromagnéticas (por ejemplo, para la emisión de los púlsares hay ángulos en los que no pueden ser observados desde la Tierra).

notengoniideanotengoniidea

¿No sería mucho más fácil instalar estos interferómetros en La Luna?

No hacer falta ni túnel, ni enfriar espejos, ni aislar de vibraciones, ni nada de nada.

Lo único ponerlo todo en la sombra y listo. Te buscas unos cuantos fondos de cráter que estén siempre a oscuras y arreglado. No hace falta ni ir allí, para poner unos espejos y un par de lásers lo haces con una sonda no tripulada.

Francisco R. Villatoro

NoTengoNiIdea, quizás fuera más fácil, pero nunca más barato. No bastan un poco de vacío, un par de espejos y un par de láseres. Necesitas enormes fuentes de energía (los láseres tienen que ser muy intensos) y un mantenimiento continuo de los sistemas de metrología cuántica (muy delicados para una entorno tan hostil como la superficie lunar). En la práctica necesitas una base permanente con científicos dedicados en exclusiva a mantener el instrumental en perfecto estado de forma; solo cuando haya bases humanas en la Luna que vivan de forma continua allí podremos imaginar interferómetros en la Luna.

GroovyGroovy

Las ondas gravitacionales ya recibieron un Nobel de Física en 1993 aunque su detección fue indirecta. La investigación que culminó con el Nobel comenzó en 1974 cuando Joseph Taylor envió a Russell Hulse al telescopio de Arecibo en Puerto Rico con el objetivo de identificar púlsares. Tuvieron la suerte de dar con un sistema binario, el PSR +161913, un objeto que sirvió para confirmar la existencia de las ondas gravitacionales predichas por Einstein. Vieron que uno de los objetos no mostraba un periodo de pulsación constante y confirmaron que la discrepancia la provocaba el efecto Doppler a medida que el púlsar orbitaba a su estrella compañera. También calcularon que la velocidad del púlsar alcanzaba los 300 km/s, un conjunto de datos que exigía un análisis relativista.

http://www.nobelprize.org/nobel_priz.../index.html

carloscarlos

Perdone mi ignorancia, pero ¿cómo es que rota un agujero negro si es sólo espacio? ¿qué es lo que gira?

Francisco R. Villatoro

Carlos, imaginarlo no es fácil, pero el agujero negro es espaciotiempo curvado y rota el propio espaciotiempo, arrastrando a todo lo que le rodea. Desde el punto de vista matemático la solución tipo agujero negro más general de las ecuaciones de Einstein, llamada Kerr-NUT, tiene tres parámetros, sean m, a y b; si b no es nulo la solución presenta una singularidad desnuda, luego b=0 en soluciones físicas; la m tiene unidades de energía y se interpreta como la masa ADM del agujero negro, visto desde muy lejos el agujero curva el espacio como si en su lugar hubiera un objeto con dicha masa; y la a tiene unidades de momento angular y se interpreta como un espín (o rotación) del agujero negro; este momento angular se puede transferir (proceso de Penrose) tanto a objetos de prueba en el exterior del agujero negro como dentro del horizonte de sucesos y se suele interpretar como que el propio espaciotiempo está en rotación. Si quieres saber más tendrás que leer un libro de divulgación sobre agujeros negros, hay muchísimos, te recomiendo los de Thorne o los de Luminet.

Hector04Hector04

quiero imaginar cuenta distancia recorrieron estos objetos en 0,12 segundos, la velocidad debería ser fantástica…. esta para ejercicio de fisica clasica.

Francisco R. Villatoro

Hector04, imagina dos agujeros negros con un diámetro de unos 180 km y unos 120 km separados unos 500 km entre sí, rotando uno respecto a otro al 20% de la velocidad de la luz que se aproximan y se fusionan en un décima de segundo, alcanzando un 50% de la velocidad de luz cuando se tocan y formando un objeto que se pone a rotar al 60% de su velocidad máxima (es decir, en su horizonte los puntos se mueven al 60% de la velocidad de la luz). Los números en detalle son fáciles de obtener con una aproximación newtoniana… así que yo también recomiendo a los lectores el ejercicio de física clásica que nos propones.

RicardRicard

No estaría de más precisar que a los agujeros negros errantes nadie los ha visto ni observado nunca en realidad, pues no son más que una estimación teórica. Pasa lo mismo con el graviton, una partícula ficticia o hipotética que podemos considerar que es el principio activo de una onda gravitacional.

Es como si cambiaramos el nombre del producto genérico que hasta ahora llamábamos «distorsión espacio temporal» por uno con mayor gancho comercial, la onda gravitacional.

En todo caso va a ser verdaderamente curioso que le den un oscar o un nobel a un producto homeo—fisico. Felicidades al método científico.

francisco M.francisco M.

Francis, en otros lares he leído que Virgo entrará en acción “a fin de año”. Aquí leo que ya se ha agregado “a finales de marzo” (y que no salió en estas ondas por haber sido descubiertas en enero).
O sea, ya está confirmado que Virgo está tomando datos? sabes si tiene el mismo nivel de precisión de Ligo? Es imprescindible tenerlo en marcha para hacer triangulaciones y poder definir mucho mejor de dónde salen estas ondas (lo que nos permitiría buscar los efectos de las mismas entre los otros cuerpos celestes de la región).
Del Indigo -India Ligo- no encuentro noticias de cuándo empezaría realmente a funcionar. Sabes algo de eso?

Francisco R. Villatoro

Francisco M., gracias por preguntar; te cuento la situación actual hasta donde yo sé (no soy miembro de LIGO/Virgo, luego me entero vía Twitter/Web). El requisito para que Virgo se una a LIGO es que alcance una sensibilidad de al menos 1/4 de la sensibilidad de LIGO. Ahora mismo no está tomando datos, no ha alcanzado dicho objetivo, pero se espera que inicie la toma de datos este mismo mes (junio 2017). En cuanto a IndIGO (LIGO India) se aprobó y financió en marzo de 2016; se espera que esté listo para funcionar a principios de 2022 (luego aún queda mucho para que finalice su construcción y puesta en marcha).

Te cuento en detalle. A finales de 2016 la planificación de LIGO/Virgo era la siguiente (G1501561-v10): Tras LIGO ER10 en noviembre se iniciaría LIGO Run O2A a finales de noviembre; a mediados de marzo se pararía LIGO, y se iniciaría ER11 tanto en LIGO como en Virgo, uniéndose Virgo a LIGO a finales de marzo, o principios de abril en el LIGO Run O2B.

En marzo de 2017 parecía difícil que Virgo lograra el objetivo y a principios de abril de 2017 se cambió la planificación de LIGO/Virgo a la actual (G1501561-v11): El LIGO Run O2A se ha extendido hasta principios de junio (a día de hoy, 3 de junio, sigue funcionando), momento en que se iniciará ER11 tanto en LIGO como en Virgo, uniéndose Virgo a LIGO a finales de junio (si todo va bien); el LIGO Run O2B con LIGO junto a Virgo debería finalizar en agosto.

Hasta donde yo sé no hay cambio oficial en esta planificación y aún no se ha publicado un G1501561-v12.

DjmaxDjmax

No seria imprescindible para considerar otorgar un Nobel la confirmacion previa por parte de interferómetros fuera de Estados Undos(Virgo, GEO, etc..)?

DjmaxiDjmaxi

No es una condición para que se les de el Nobel la confirmación pr algún grupo independiente? Ya sé que Virgo forma parte del equipo Ligo pero no debería haber alguna detección con tres o más detectores simultaneamente. Leo en esta entrada que parece que Virgo ya está observando con la sensibilidad mínima requerida, por lo que supongo que pronto tendremos noticias de observaciones simultáneas y con mayor probabilidad de localizar mejor la fuente al triangular.

Francisco R. Villatoro

Djmaxi, depende del área científica; el uso de dos interferómetros láser independientes se considera confirmación independiente (como ocurrió con el Higgs observado por CMS y ATLAS, ambos del LHC, pero ambos independientes). El concepto de “independiente” depende del área científica.

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