La onda gravitacional GW170814 ha sido detectada por triplicado

Dibujo20170927 GW170814 observed by LIGO Hanford Livingston and Virgo

La cuarta onda gravitacional detectada de forma directa, GW170814, ha sido detectada por LIGO Hanford, LIGO Livingston y Virgo. Su origen es la fusión de dos agujeros negros de unas 30,5 y 25,3 masas solares, resultando un agujero negro de 53,2 masas solares, y una emisión gravitacional de 2,6 masas solares en energía. La fusión ha ocurrido a una distancia de unas 540 megapársecs (un desplazamiento al rojo de z = 0,11). Gracias a los tres interferómetros se ha podido localizar la fuente en el cielo con gran precisión.

Los rumores apuntaban a la detección de una fusión de dos estrellas de neutrones observada alrededor del 17 de agosto de 2017. Quizás haya sido observada, pero los análisis son más complicados que para las ondas gravitacionales originadas por la fusión de agujeros negros, y por ello se necesitarán varios meses (un mínimo de tres meses) para que se finalicen los análisis. En cualquier caso, la detección directa de una nueva fusión de agujeros negros el 14 de agosto es una gran noticia, fuera de toda de duda.

El artículo es The LIGO Scientific Collaboration and The Virgo Collaboration, “GW170814 : A three-detector observation of gravitational waves from a binary black hole coalescence,” arXiv:1709.09660 [gr-qc]; PDF (2017). En el lugar del cielo donde se ha localizado GW170814 se han buscado neutrinos y señales electromagnéticas en todo el espectro gracias a 25 instrumentos científicos. Ninguno ha observado nada (como es de esperar para una fusión de agujeros negros de masa estelar que han perdido su disco de acreción hace tiempo).

Más información divulgativa en Christopher Berry, “GW170814: Enter Virgo,” Blog, 27 Sep 2017; Elizabeth Gibney, “European detector spots its first gravitational wave. Black-hole merger pinpointed with record accuracy by the LIGO and Virgo observatories,” News, Nature, 27 Sep 2017.

[PS 28 Sep 2017] ¿Por qué se ha anunciado la noticia antes la aceptación final del artículo científico? Se ha anunciado desde Italia para que coincidiera con la Reunión de los Ministros de Ciencia del G7 en Italia. Una buena excusa para recordarle a estos ministros la importancia de la ciencia básica. Ahora mismo se están incorporando las sugerencias de los revisores del artículo científico, que será aceptado en los próximos días. [/PS]

Dibujo20170927 Localization of GW170814 LIGO Virgo

La señal GW170814 llegó primero a LIGO Livingston, unos 8 ms después a LIGO Hanford y unos 14 ms después a Virgo. Se ha podido localizar la fuente de la onda gravitacional en una región de solo 60 grados cuadrados de cielo gracias a la detección triple. La parte amarilla de la figura corresponde a los dos LIGO (unos 1000 grados cuadrados de cielo), la parte verde a los tres LL+LH+Virgo (unos 60 grados cuadrados de cielo para la alerta temprana, calculado con el software BAYESTAR de localización rápida); la parte morada se ha obtenido con un análisis bayesiano usando los tres detectores (tiene un área similar pero su forma muestra dos puntos calientes, asociados a LL+Virgo y LH+Virgo, habiendo sido calculado con el software LALInference que usa una técnica de análisis de mayor precisión).

Dibujo20170927 sky position GW170814 Advanced LIGO Virgo

Esta figura compara la posición estimada para GW170814 con las posiciones estimadas para las otras ondas gravitacionales ya detectadas [más en esta web]. Se observa que la inclusión de los datos de Virgo en el análisis ha sido muy provechosa. Además, gracias a los tres detectores se ha podido estudiar la polarización de la señal; el resultado es que solo hay dos grados de polarización, como predice la teoría general de la relatividad, en contra de otras teorías que predicen hasta seis polarizaciones —teorías que acompañan el campo tensorial de espín 2 con uno vectorial de espín 1 y otro escalar de espín 0.

Dibujo20170927 GW170814 Amplitude spectral density of strain sensitivity Advanced LIGO Virgo

La señal ha sido detectada con una relación señal/ruido (SNR) de 13,7 en LIGO Livingston. Gracias a ello se ha buscado en los datos de LIGO Hanford donde se ha encontrado con una SNR de 7,3 y en los de Virgo donde solo ha alcanzado una SNR de 4,4. Recuerda que para una detección se necesita una SNR > 10. Por lo que parece los nuevos análisis de la Colaboración LIGO+Virgo permiten la detección incluso cuando solo uno de los tres interferómetros supera este límite y la SNR combinada de los otros dos también lo separa (la señal candidata LVT151012 quizás hubiera sido una señal firme si hubiera estado en funcionamiento Virgo). Una buena señal sobre la gran calidad de los análisis que se están realizando en la actual.

Dibujo20170927 GW170814 source parameters table summary Advanced LIGO Virgo

Esta tabla muestra la estimación (con márgenes de error) de los parámetros del sistema binario de agujeros negros cuya fusión ha sido observada. Recuerda que los valores se muestran como diagrama de bigotes, es decir, que un valor como 30,5+5,7−3,0 M☉ para la masa del agujero negro más masivo de la pareja significa que su masa está en el intervalo 27,5 < M < 36,2, siendo la mediana igual a 30,5, la media 31,9 y la desviación típica 2,2 (todos estos valores en masas solares M☉).

Dibujo20170927 GW170814 Posterior probability density masses effective spin parameters Advanced LIGO Virgo

Como ya ha ocurrido con otras ondas gravitacionales, no se ha podido determinar el espín (momento angular) de los agujeros negros que se han fusionado; solo se ha podido determinar que el espín del agujero negro final ronda el 70% del valor máximo (un valor similar al de las otras tres ondas gravitacionales ya detectadas). Para determinar bien el espín de los agujeros negros que se fusionan hay que observar una señal durante varios segundos; pero la señal GW170814 solo ha sido observada durante una décima de segundo (GW150914 fue observada durante dos décimas de segundo).

Este vídeo muestra una simulación por ordenador de la colisión de los dos agujeros negros que ha resultado en la señal GW170814. Ha sido realizada por S. Ossokine y A. Buonanno, ambos del Max Planck Institute for Gravitational Physics, usando el código del proyecto SXS (Simulating eXtreme Spacetimes). Realmente espectacular, como siempre.

Otro vídeo con una simulación similar, pero Grabielle Allen et al. del Grupo de Gravitación en el National Center for Supercomputing Applications de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign (EE.UU.).

Dibujo20170927 GW170814 and other grav signals LIGO Virgo

Esta figura compara todas las señales observadas (cuatro firmes y un candidato) por LIGO-Virgo. Todas están asociadas a fusiones de agujeros negros, por lo que tienen un perfil muy similar.

Dibujo20170927 GW170814 and other black hole mergers LIGO Virgo

Esta figura muestra todas las fusiones de agujeros negros que hemos observado gracias a LIGO-Virgo, donde al tamaño del horizonte de sucesos (no confundir con un intervalo estadístico de incertidumbre en su masa).

Dibujo20170927 Advanced Virgo

En resumen, la adición de Virgo a la red de interferómetros de ondas gravitacionales fue una gran noticia en agosto y hoy se ha hecho público su primer gran éxito. Seguro que vendrán muchos más. Aunque la noticia esperada por muchos era la primera detección de la fusión de dos estrellas de neutrones, o de un agujero negro y una estrella de neutrones (en ambos casos dando lugar a un agujero negro), estamos ante una gran noticia.

Y la semana que viene más, pues el anuncio del Premio Nobel de Física el próximo martes 3 de octubre huele a ondas gravitacionales desde hace casi dos años. Las ondas gravitacionales vuelven a ser la estrella de la fiesta de la Física.


22 Comentarios

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U-95U-95

Fascinante, y todavía queda esa posible detección de la colisión de dos estrellas de neutrinos. Es una suerte poder vivir en estos tiempos.

Pedro GomezPedro Gomez

Fascinante. Gracias por otra gran entrada y por lo que quizás sea el mejor recurso de España de divulgación científica.

planck

¡Impresionante! Si Einstein estuviese aquí para ver esto… Es increíble lo que el ser humano es capaz de lograr con el inmenso poder de la ciencia. Mientras unos trabajan para descifrar los grandes misterios del Universo otros trabajan para dividir y enfrentar a la sociedad, mientras que la ciencia une a personas de diferentes nacionalidades y culturas otros tratan de sembrar el odio amparándose en estúpidos prejuicios ideológicos y rancios nacionalismos. La ciencia es Universal, las leyes que descubre son Universales y representa la búsqueda del conocimiento por parte del ser humano. La ciencia representa lo que las personas son capaces de lograr cuando trabajan unidas, los radicales y los ultranacionalistas representan lo que la estúpidez humana es capaz de destruir cuando se siembra el odio y el enfrentamiento. El futuro de la raza humana está en la unión no en la separación.
Por cierto, en el estudio teórico de las ondas gravitacionales está implicada una de las estructuras “teóricas” más interesantes (en mi opinión) de la Física moderna: la estructura asintótica del “future null infinity” (I+). Bondi y otros integraron las ecuaciones de Einstein cerca de I+ y descubrieron una estructura increíble: una “interface” entre Física-Geometría y Matemáticas abstractas, un nuevo grupo de simetría (el grupo BMS de dimensión infinita) que da lugar a nuevas cargas conservadas, emergencia de nuevas configuraciones de vacío no triviales… ¡Esto si que puede considerarse alcanzar Físicamente el infinito! Lo más impresionante de todo esto es que se pueden hacer cálculos con magnitudes comprobables experimentalmente, así se descubrió definitivamente que las ondas gravitatorias tenían que ser reales: estas portan energía-momento y este puede calcularse directamente ¡En el infinito! ¿Quien puede pensar que el Universo que habitamos no es fascinante? ¿Como es posible que podamos lograr cosas así?

Francisco R. Villatoro

David, medir la distancia estimada de la fuente a partir de la amplitud y forma de la señal equivale a determinar un desplazamiento al rojo efectivo; no se trata de desplazamiento al rojo de la frecuencia de la señal observada (como en el caso de la luz); más aún, para todas las ondas observadas tienen valores z ~ 0,1 luego no se puede realizar una medición directa de dicho parámetro.

Juan CarlosJuan Carlos

Esperemos que en pocos años se construyan mas interferometros y podamos mejorar la resolucion y la cantidad de eventos observados.
Por cierto, Villatoro, tengo una duda que me gustaria que me aclarases. Hoy en dia, ¿existen detectores de barra operativos, en vez de por interferometria?
Lo pregunto porque hoy que a mejorado la tecnologia, quizas ahora fuesen viables.

Paco RuizPaco Ruiz

Hola Francis
A ver si me resuelves una duda.
Cuando se detecta una onda gravitacional, o alguna de estas famosas ráfagas de radio que duran tan poco, ¿cómo se consigue avisar y que otros telescopios tomen datos antes de que haya finalizado el fenómeno? ¿Cómo es el protocolo de actuación?
Un saludo

Francisco R. Villatoro

Paco, con el futuro LISA (~2035) podremos observar el fenómeno con meses de antelación, pero con LIGO-Virgo lo observamos a toro pasado (cuando el fenómeno ya ha ocurrió); sin embargo, si se fusionan dos estrellas de neutrones, o una estrella de neutrones y un agujero negro, se observará una señal electromagnética (rayos gamma, rayos X, ultravioleta, visible, infrarrojo, microondas y radio) durante varios días, incluso en parte del espectro durante semanas; por ello, tras observar la señal, a los pocas horas se alerta a toda la comunidad observacional (que tiene contrato con LIGO-Virgo para ello) por si acaso se observa dicha contraparte electromagnética.

Por supuesto, para señales cuyo origen es la fusión de dos agujeros negros, nadie espera que se observe nada; pero por si acaso, se apunta con muchos instrumentos al lugar predicho por si acaso se observara algo inesperado. Ya se sabe que nunca se sabe.

Paco RuizPaco Ruiz

Aunque sea otro fenómeno, deduzco de tu respuesta que por ejemplo en el caso de las FRB no se puede hacer nada en este sentido. O estás apuntando cuando se producen, o te quedas sin detectar nada.
Gracias por la respuesta, y por mantener tu magnífico blog.

Francisco R. Villatoro

Exactamente, Paco, los FRB (cuya duración es del orden de los milisegundos) se ven por casualidad (a veces basta volver a mirar en un lugar donde ya apareció alguno). Por eso hemos observado menos de 30, casi todos una sola vez.

Sergio CarvajalSergio Carvajal

Hola Francis, referente al tema de las ondas gravitacionales me surge una duda. ¿Sería posible que dichas ondas puedan provocar el desplazamiento de objetos en órbitas estables pero débiles? Como por ejemplo objetos en el cinturón de kuipper o la nube de Oort. Se que llegan a los detectores señales muy débiles pero si un objero esta en el filo de una aguja una mínima variación de su equilibrio podría arrancarlo de su estabilidad. No se quizá juego un poco con la imaginación pero creo que podría ser factible ¿ no?
Gracias por todos tus artículos.

Francisco R. Villatoro

Sergio, igual que las ondas electromagnéticas de cierta longitud de onda se observan con antenas con una longitud adecuada, para las ondas gravitacionales de cierta longitud de onda requieren una “antena gravitacional” adecuada. El efecto de las ondas gravitacionales debidas a la fusión de agujeros negros de masa estelar sobre un cuerpo aislado (un cuerpo del cinturón de Kuiper o de la nube de Oort) es despreciable (tan pequeño que no influye absolutamente en nada); su efecto en la distancia relativa entre estos cuerpos (que es enorme, mucho mayor que la distancia entre la Tierra y el Sol) también es absolutamente despreciable. Por tanto, su efecto es nulo.

Y no ya para fusiones de agujeros negros a miles de millones de años luz de distancia. Incluso para fusiones de agujeros negros de masa estelar a distancias tan cortas como la distancia entre la Tierra y el Sol. Su efecto es tan pequeño que no se puede medir y no influye absolutamente nada en las órbitas de estos cuerpos. La gravitación es muy débil, extremadamente débil, aunque a veces nos cuesta trabajo imaginarlo porque la Tierra atrae nuestros cuerpos al suelo.

Sergio CarvajalSergio Carvajal

Gracias, releyendo la noticia sobre la primera onda gravitacional que captó ligó y con tu respuesta ya me queda bastante claro. No recordaba que la onda residual que nos llega es tan sólo el diámetro del átomo de hidrógeno, a pesar de sorprenderme la precisión de Ligo no he conseguido acordarme de ese detalle y bastante esclarecedor. Gracias.

JAVIERJAVIER

Los dos observatorios de LIGO se encuentran lo mas aleados que pueden de cualquier fuente de vibración. Sin embargo he visto en google maps que el observatorio virgo esta literalmente en medio de una población, y esta sobrepasado por una carretera. ¿Como son capaces de alcanzar una sensibilidad casi idéntica a la de los observatorios americanos?

Saludos

Francisco R. Villatoro

Javier, las fuentes de vibración en los LIGO y en Virgo son similares; Virgo usa un sistema de aislamiento ante estas vibraciones llamado superatenuador, que es similar al de LIGO, pero diferente en muchos detalles. Si te interesan dichos detalles, busca en la web “VIRGO Superattenuator”. Aún así, otras características técnicas limitan más su sensibilidad de diseño, mucho menor que la de los LIGO.

JoseJose

La detección de las ondas gravitacionales producidas por la fusión de dos estrellas de neutrones –GW170817– ha permitido fijar en 70 km/s por mega parsec * el incremento de la velocidad de la expansión del universo en los 130 millones de años luz que nos separan del origen de dicha fusión.
Haciendo el cálculo con la velocidad de la luz y la edad del universo se obtiene un valor casi idéntico. Parece que en realidad lo que determina la supuesta edad del universo es su visibilidad, con independencia de cualquier explosión inicial, de forma que la Teoría del Big Bang sería incorrecta o, al menos, pierde uno de sus grandes apoyos.
Ondas gravitacionales

JoseJose

Francisco, lo que deduzco es que parece que lo que se conoce como edad del universo (13.799 millones de años) en realidad es el máximo que podemos ver o universo visible dada la velocidad de expansión del universo calculada tanto con la técnica de las supernovas (entre 67 y 72 km/s) como con la reciente observación de las ondas gravitacionales (70 km/s)
El cálculo inverso a que me refería es:
300.000 km/s /(13.799/3,26) Mpc =70,820 km/s Mpc
Por otra parte, parece que nos alejamos del universo no visible más rápido que la luz y por eso no lo podemos ver. Luego se explica como se quiera que la velocidad de la luz es máxima y todos los tecnicismos del mundo, pero el hecho científico es el hecho observado. Otra cosa son las interpretaciones, axiomas y definiciones implícitas que cambian el significado de las palabras.
Finalmente, yo estoy de acuerdo en líneas generales con la velocidad máxima de la luz sobre su éter pero creo existen efectos de arrastre y otras muchas complicaciones del modelo de física teórica que sea.

JoseJose

Francisco, quizás haya abreviado demasiado, pero creo que el problema es de perspectiva. La mía es una perspectiva no académica pero creo que lógica y científica sí lo es y permite intercambiar opiniones e ideas más o menos fundadas. De hecho, pensaba que no estaba diciendo nada nuevo para ti.
Te dejo un artículo de la BBC con la misma perspectiva por si te ayuda a entenderme.

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