LIGO-Virgo observan cuatro nuevas fusiones de agujeros negros

LIGO y Virgo anuncian hoy que ya son diez las fusiones de agujeros negros de masa estelar observados mediante ondas gravitacionales. Las cuatro nuevas detecciones directas son espectaculares: GW170729, GW170809, GW170818 y GW170823. En concreto, GW170729 resulta de la fusión de un agujero negro de 50.6 M☉ (masas solares) y otro de 34.3 M☉ produciendo uno de 80.3 M☉ emitiendo 4.6 M☉ en energía gravitacional; GW170809 de la fusión de 35.2 M☉ + 23.8 M☉ = 56.4 M☉ + 2.6 M☉; GW170818 de 35.5 M☉ + 26.8 M☉ = 59.8 M☉ + 5.9 M☉, y GW170823 de 39.6 M☉ + 29.4 M☉ =  65.6 M☉ + 3.4 M☉. Estas señales son tan intensas que se observan incluso sin usar plantillas. Fíjate además que GW170818 ocurrió justo el día después de GW170817, fusión de dos estrellas de neutrones. ¡Increíble!

Diez observaciones, diez, nada más y nada menos. Tres se observaron en la primera temporada de observación (O1) desde el 12 de septiembre de 2015 hasta el 19 de enero de 2016 (3.5 meses), y las otras siete en la segunda (O2) desde el 30 de noviembre de 2016 hasta el 25 de agosto de 2017 (casi 9 meses); en esta segunda también se observó una fusión de dos estrellas de neutrones en un agujero negro. La tercera temporada de observación (O3) se debería iniciar en la primavera de 2019 y se espera que sea la más larga de las tres (12 meses). En O3 se usará por primera vez la técnica de detección basada en luz estrechada (squeezed light) desarrollada por GEO600; esta técnica mejorará mucho la sensibilidad de los detectores.

Los nuevos resultados se publican en dos artículos, The LIGO Scientific Collaboration, The Virgo Collaboration, “Binary Black Hole Population Properties Inferred from the First and Second Observing Runs of Advanced LIGO and Advanced Virgo,” arXiv:1811.12940 [astro-ph.HE], y “GWTC-1: A Gravitational-Wave Transient Catalog of Compact Binary Mergers Observed by LIGO and Virgo during the First and Second Observing Runs,” arXiv:1811.12907 [astro-ph.HE]; el catálogo completo de señales (resumen visual del catálogo).

Esta figura muestra los espectogramas (tiempo-frecuencia) de las diez fusiones de agujeros negros, así como la reconstrucción de las ondas gravitacionales observadas; se presenta la reconstrucción con cuatro técnicas de inferencia bayesiana diferentes: el modelo PhenomP (LALInf, rojo), el modelo de ondículas BayesWave (azul), el modelo WaveBurst coherente (cWB-LALInf, verde) y una técnica de máxima verosimilitud (cWB Max-L, negro). La coincidencia entre estas técnicas muestra la gran calidad de la reconstrucción obtenida.

Esta figura muestra la localización en el cielo de las once ondas gravitacionales observadas. Las regiones más pequeñas corresponden a detecciones con los dos LIGO y con Virgo, siendo los dos LIGO el responsable de las más grandes. Sin lugar a dudas las observaciones del LIGO Run O3 con los tres instrumentos serán tan precisas como las regiones más pequeñas que observamos en esta figura. Quizás KAGRA en Japón pueda unirse al final del O3 a los otros tres detectores; en su caso se obtendrían regiones aún más pequeñas.

Esta figura muestra las estimaciones de la distancia a la fuente de las ondas gravitacionales. La incertidumbre es la distancia es enorme, pero queda claro que la señal más energética (GW170729) también es la más lejana, por eso no es tan significativa como GW150914.

Esta figura muestra el parámetro de espín efectivo que mide cómo el momento angular (velocidad de giro) de los agujeros negros se relaciona con su momento angular orbital. Un valor de +1 significa que ambos agujeros negros rotan a la mayor velocidad posible en la misma dirección en la que rotan entre sí en su movimiento en espiral hasta la fusión; un valor de −1 significa que lo hacen pero en la dirección contraria a su movimiento orbital. Un valor 0 (cero) es más difícil de interpretar, porque puede significar que no rotan, o que rotan con ejes de giro en el plano orbital, o que rotan en direcciones opuestas; diferenciar estas posibilidades es muy difícil con pocos detectores. Como puedes ver solo para GW151226 (O1) y GW170729 (O2) se obtiene un valor positivo, que asegura que se trata de agujeros negros tipo Kerr.

Catálogo LIGO-Virgo de sistemas binarios – herramienta interactiva.

En resumen, el año próximo habrá muchas más detecciones directas de ondas gravitacionales. Si en varias de ellas la señal en Virgo es bien significativa, se podrá realizar una estimación precisa de los parámetros de los agujeros negros en fusión. Sin lugar a dudas la astronomía de ondas gravitacionales nos ofrece nuevos ojos para observar el  universo. Habrá sorpresas. Habrá que seguir al tanto de los futuros descubrimientos.



12 Comentarios

  1. Impresionante. Esta nueva técnica de detección avanza que da vértigo. Hace unos pocos años, la idea de obtener estos resultados y presentarlos sobre una mesa era un sueño: los científicos hubieran “firmado con sangre” por llegar a ver una pequeña parte de todas estas detecciones.

    ¿Podrías exponer los fundamentos de “la técnica de detección basada en luz estrechada (squeezed light) desarrollada por GEO600, (que) mejorará mucho la sensibilidad de los detectores”? Me despierta la curiosidad, ya que si en su momento no lo entendí mal, la clave de los detectores de ondas gravitacionales es c, la velocidad constante de la luz. O tal vez podría dar para una publicación aparte…

    Gracias por esta entrada del blog y por las demás.

  2. Hablé un poco de ella en “GEO600, el primer detector de ondas gravitatorias que opera por debajo del límite de ruido cuántico” LCMF 14 Sep 2011, “Cien veces más preciso que el límite de ruido cuántico estándar” LCMF 13 Ene 2016, “Nuevo récord en fotones comprimidos (squeezed)” LCMF 14 Sep 2016, “Demuestran el principio de indeterminación de Heisenberg en la medida óptica de la posición de un objeto macroscópico” LCMF 15 Feb 2013, “Medida cuántica del estado con incertidumbre mínima (squeezing quantum measurement)” LCMF 26 Ene 2009, etc.

  3. Se agradecen los enlaces. A través del buscador general de Naukas no me aparecían resultados sobre ‘squeezed light’, ‘luz estrechada’ o ‘estrechamiento de luz’. Me pongo con ellas.

  4. Hay un error en los datos de la detección mas grande la GW170729 con 50.6 mas 34.3 son 80.3 con lo que emiten en energía gravitacional 4.6 masas solares no 7.3.

  5. Es curiosa la gran masa de los agujeros negros para haber sido producidos por el colapso de una estrella. Imagino que serían el producto de esas tan grandes que colapsan directamente en uno, sin supernova o muy débil.

    1. Es de las cosas que más me intrigan, ¿de donde sale un agujero negro de 40 masas solares que no se haya formado por fusión de otros anteriores? ¿Tan masivos pueden llegar a ser los núcleos de estrellas? Tengo entendido que las estrellas de población 3 podrían haber sido capaces de tal cosa, pero una estrella “normal” por masiva que sea, ¿puede generar esos agujeros?

      1. Pues en teoría sí:
        en.wikipedia.org/wiki/Type_II_supernova#Core_collapse

        “When the progenitor star is below about 20 M☉ – depending on the strength of the explosion and the amount of material that falls back – the degenerate remnant of a core collapse is a neutron star. Above this mass, the remnant collapses to form a black hole. The theoretical limiting mass for this type of core collapse scenario is about 40–50 M☉. Above that mass, a star is believed to collapse directly into a black hole without forming a supernova explosion…”

        Y aquí van dos listas con algunos ejemplos de las estrellas más masivas conocidas:
        en.wikipedia.org/wiki/List_of_most_massive_stars#List_of_the_most_massive_stars

        Las estrellas de la primera lista y las más masivas de la segunda lista satisfacen el criterio resaltado en negrita arriba, colapsarían directamente en agujeros negros sin explotar como supernovas, o sea, sin perder masa… excepto quizás las más masivas de todas, que podrían dar lugar a hipernovas.

        Saludos.

      2. Puede interesarte lo que dice Gabriela González, que es la Física Argentina sobre la que recayó el honor de anunciar como portavoz de LIGO la detección de las primeras ondas gravitacionales:

        Pregunta: La mayoría de los agujeros negros que ha detectado LIGO tienen masas unas decenas de veces superiores a la del Sol. Y ninguna teoría preveía la formación de agujeros de esos tamaños. ¿Se sabe cómo se formaron?
        Gabriela González: Lo que no había era evidencias astrofísicas de agujeros negros de masa intermedia. Sí las había de agujeros negros más pequeños con masas similares a la del Sol, o muchísimo más grandes. Cuando interpretábamos los datos de la primera detección, preguntábamos a los astrofísicos si era posible que hubiera agujeros negros de 30 masas solares y nos decían que no lo creían, que no tenían observaciones. Claro, nosotros queríamos saberlo porque, ¿y si nuestros códigos estaban mal? Lo cierto es que ahora hay toda una controversia sobre cómo se forman los agujeros negros de masa intermedia.
        Pregunta: ¿Cómo se puede averiguar?
        Gabriela González: Comprobando sus predicciones. Las teorías solo se pueden admitir si hacen predicciones sobre nuevas observaciones. Ese es el método científico. No se trata solo de explicar las observaciones que ya se tienen. Por ejemplo, las teorías sobre formación de agujeros negros de masa intermedia hacen predicciones sobre cómo giran los agujeros negros antes de fusionarse, y eso lo podemos medir.

        Aconsejo leer la entrevista completa a Gabriela en https://www.agenciasinc.es/Entrevistas/Muchos-cientificos-decian-que-nunca-veriamos-colisiones-de-agujeros-negros
        Saludos.

        1. Albert, desde 2016 se han publicado múltiples modelos astrofísicos que explican la formación de agujeros negros de más de 20 masas solares. Gabriela está hablando en la entrevista de la situación a finales de 2015. En los últimos dos años todo ha cambiado mucho, pero ella quizás no ha seguido los avances en astrofísica.

  6. Francisco dice: “…desde 2016 se han publicado múltiples modelos astrofísicos que explican la formación de agujeros negros de más de 20 masas solares…”
    Gracias Francis, no lo sabía, los buscaré. 🙂 Si de entrada recuerdas algún paper que no te dé trabajo buscarlo y que sea bueno, si pones el enlace aquí, triplemente agradecido.
    Saludos.

    1. Albert, hay decenas, p. ej. “Formation of the first three gravitational-wave observations through isolated binary evolution” https://www.nature.com/articles/ncomms14906; “Observational properties of massive black hole binary progenitors” https://www.aanda.org/articles/aa/abs/2018/01/aa31449-17/aa31449-17.html; “Progenitors of gravitational wave mergers: Binary evolution with the stellar grid-based code ComBinE” https://arxiv.org/abs/1801.05433.

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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 3 diciembre, 2018
Categoría(s): ✓ Ciencia • Física • Noticias • Physics • Relatividad • Science
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