El 26 de diciembre de 2015 a las 04:38:53 (hora española), los científicos observaron ondas gravitacionales (ondulaciones en el tejido del espacio-tiempo) por segunda vez. GW151226 es la segunda observación clara de una fusión de agujeros negros y, junto con al evento anterior llamado GW150914, marca el inicio de la astronomía de ondas gravitacionales como un medio para explorar nuevas fronteras de nuestro universo.
Las ondas gravitacionales fueron detectadas por los dos detectores gemelos del Observatorio por Interferometría Láser de Ondas Gravitacionales (LIGO, por sus siglas en inglés), ubicados en Livingston, Louisiana, y Hanford, Washington, EE.UU. Los observatorios LIGO están financiados por la National Science Foundation (NSF), fueron concebidos, construidos y son operados por Caltech y MIT. El descubrimiento, publicado en la revista Physical Review Letters, fue realizado por la Colaboración Científica LIGO (que incluye la Colaboración GEO y el Australian Consortium for Interferometric Gravitational Astronomy) y la colaboración Virgo usando datos de los dos detectores LIGO.
La UIB participa en este nuevo descubrimiento
Esta señal, GW151226, fue identificada solo 70 segundos después de su llegada a la Tierra. Aproximadamente un minuto después se tenían las primeras indicaciones del origen de la señal gracias a una técnica conocida como 'filtrado adaptado'. En este método, los datos se comparan con predicciones de señales gravitacionales (catálogos de formas de onda) para encontrar la que coincide mejor. En este caso, el filtrado adaptado fue esencial tanto para la detección como para el posterior análisis de GW151226, debido a que ésta tiene una menor intensidad comparada con la del evento anterior GW150914, y es difícil de ver a simple vista.
El desarrollo de catálogos precisos de formas de onda basados en la relatividad general resulta imprescindible para estudiar las fusiones de agujeros negros. Esta es una de las actividades principales del grupo de Relatividad y Gravitación (GRG) en la Universidad de las Islas Baleares (UIB). Además, sus fórmulas son utilizadas para generar los varios cientos de miles de patrones de onda utilizados en el análisis de los datos de LIGO/Virgo y llevar a cabo este descubrimiento.
Para calibrar estos bancos de patrones es necesaria la utilización de simulaciones numéricas, generadas en muchos casos gracias al uso de infraestructura computacional europea (PRACE) y de la Red Española de Supercomputación. Sascha Husa, profesor de la UIB y miembro del GRG, lidera un proyecto internacional que ha sido seleccionado por PRACE con más de 8 millones de horas de cálculo, y desde el 2010 el grupo de la UIB ha tenido acceso de forma continuada a tiempo de cálculo en el MareNostrum, el supercomputador más potente de España del BSC-CNS, que ha sido esencial para el desarrollo de estos catálogos.
Por otro lado el grupo de la UIB, liderado por Alicia Sintes, está totalmente volcado en análisis de los datos de LIGO, a la caza de una posible señal gravitacional continua procedente de púlsares desconocidos (estrellas de neutrones en rotación). Estas señales son tan débiles que es necesario integrar todos los datos tomados durante estos 4 meses para poder detectar alguna fuente. Una señal de este tipo aportaría información sobre la materia en el interior de las estrellas de neutrones, un objeto del tamaño de Menorca con una masa un 50% mayor que nuestro Sol, gobernado por las leyes de la teoría cuántica.
Alicia Sintes lidera el único grupo español miembro de la Colaboración Científica LIGO. Desde marzo de 2016, Sintes preside junto a Keith Riles (Universidad de Michigan) el grupo de trabajo LIGO-Virgo para la búsqueda de señales gravitacionales continuas. Sintes y Sascha Husa forman parte del Consejo de LIGO, y han participado, junto con otros miembros del grupo de la UIB, en los artículos de estos descubrimientos.
El origen de la señal
Las ondas gravitacionales llevan consigo información sobre sus orígenes y sobre la naturaleza de la gravedad que no puede obtenerse de otra forma. Los físicos han llegado a la conclusión de que las ondas gravitacionales detectadas el 26 de diciembre de 2015 se produjeron también durante los momentos finales de la fusión de dos agujeros negros de 14 y 8 masas solares para producir un único agujero negro en rotación más masivo, de unas 21 veces la masa del Sol.
Durante la fusión, que se produjo hace aproximadamente 1.400 millones de años, una cantidad de energía más o menos equivalente a la masa del Sol se convirtió en ondas gravitacionales. La señal detectada proviene de las últimas 27 órbitas de los agujeros negros antes de su fusión. El tiempo de llegada de las señales, medida 1,1 milisegundos antes en el detector de Livingston que en el detector de Hanford, da una idea aproximada de la posición de la fuente en el cielo.
"Es muy significativo que estos agujeros negros fuesen mucho menos masivos que los de la primera detección", dice Gabriela González, portavoz de la Colaboración Científica LIGO (LSC) y profesora de física y astronomía en la Universidad del Estado de Louisiana. "Debido a sus masas más ligeras, se pasaron más tiempo, alrededor de un segundo, en la banda sensible de los detectores. Es un comienzo prometedor para el estudio de las poblaciones de los agujeros negros en nuestro universo".
Las primeras detecciones de ondas gravitacionales con Advanced-LIGO
La primera detección de ondas gravitacionales, anunciada el 11 de febrero de 2016, fue un hito en la física: se confirmó una importante predicción de la teoría general de la relatividad de Einstein del 1915, y marcó el inicio del nuevo campo de la astronomía de ondas gravitacionales. El segundo descubrimiento "ha puesto verdaderamente la 'O' de Observatorio en LIGO", dice Albert Lazzarini de Caltech, director adjunto del Laboratorio LIGO. "Con la detección de dos eventos fuertes en los cuatro meses de nuestro primer periodo de observación, podemos empezar a hacer predicciones acerca de la frecuencia con la que podríamos estar escuchando las ondas gravitacionales en el futuro. LIGO nos trae una nueva manera de observar algunos de los eventos más oscuros y más energéticos en nuestro universo".
Ambos descubrimientos fueron posibles gracias a las capacidades mejoradas de Advanced-LIGO, una importante actualización que aumenta la sensibilidad de los instrumentos en comparación con los detectores LIGO de primera generación, lo que permite un gran aumento del volumen del universo explorado. El próximo periodo de observación Advanced-LIGO tendrá lugar este otoño. Para entonces, se espera que mejoras en la sensibilidad del detector permitirán a LIGO alcanzar un volumen de universo de 1,5 a 2 veces mayor. Se espera que el detector Virgo se una en la segunda mitad de este periodo de observación.
La investigación en LIGO la realiza la Colaboración Científica LIGO (LSC), un grupo de más de 1.000 científicos de universidades de todo Estados Unidos y de otros 14 países. Más de 90 universidades e institutos de investigación de LSC desarrollan tecnología para el detector y analizan datos; alrededor de unos 250 estudiantes contribuyen de forma relevante a la colaboración. La red de detectores LSC incluye los interferómetros de LIGO y el detector GEO600.
La investigación en Virgo depende de la Colaboración Virgo, un grupo de más de 250 físicos e ingenieros pertenecientes a 19 grupos de investigación europeos diferentes: 6 en el Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) de Francia; 8 en el Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) en Italia; Nikhef en los Países Bajos; el instituto Wigner RCP en Hungría; el grupo POLGRAW en Polonia; y el European Gravitational Observatory (EGO), el laboratorio que alberga el interferómetro Virgo cerca de Pisa en Italia.
La NSF de Estados Unidos lidera el apoyo financiero de Advanced-LIGO. Organismos de financiación en Alemania (Sociedad Max Planck), Reino Unido (Consejo de Infraestructuras de Ciencia y Tecnología, STFC) y Australia (Consejo Australiano de Investigación) también han contribuido significativamente al proyecto.
Varias de las tecnologías clave que hicieron que Advanced-LIGO fuera mucho más sensible fueron desarrolladas y probadas por la colaboración británico-alemana GEO. Recursos informáticos han sido aportados de forma significativa por el clúster Atlas del AEI-Hannover, el Laboratorio LIGO, la Universidad de Syracuse, el clúster ARCCA de la Universidad de Cardiff, la Universidad de Wisconsin-Milwaukee y el Open Science Grid. La Universidad Nacional de Australia, la Universidad de Adelaida, la Universidad de Australia Occidental, la Universidad de Florida, la Universidad de Stanford, la Universidad de Columbia de Nueva York, y la Universidad Estatal de Louisiana han diseñado, construido y probado componentes clave para Advanced-LIGO. El equipo de GEO incluye científicos del Instituto Max Planck de Física Gravitacional (Albert Einstein Institute, AEI), la Universidad Leibniz de Hannover, junto a los socios de la Universidad de Glasgow, Universidad de Cardiff, la Universidad de Birmingham, otras universidades en el Reino Unido y Alemania y la Universidad de las Islas Baleares en España.
El grupo de Relatividad y Gravitación es miembro del Instituto de Aplicaciones Computacionales de Código Comunitario (IAC3) de la UIB y del Instituto de Estudios Espaciales de Cataluña (IEEC). Tiene el apoyo del Ministerio de Economía y Competitividad (FPA2013-41042-P); la Conselleria d’Educació, Cultura i Universitats, y la Conselleria d’Innovació, Recerca i Turisme del Govern de les Illes Balears; el Fondo Social Europeo; el Fondo Europeo de Desarrollo Regional; la Red Española de Supercomputación y PRACE. Además participa en el proyecto Consolider Ingenio Multidark (CSD2009-00064) y forma parte la red Consolider: Centro Nacional de Física de Partículas, Astropartículas y Nuclear (CPAN-FPA2015-69037-REDC) y de las redes de excelencia: Red Nacional de Astropartículas (RENATA-FPA2015-68783-REDT) y Red Temática de Ondas Gravitacionales (REDONGRA – FPA2015-69815-REDT).
