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Over 100 black holes detected by Virgo and LIGO in the first run of 2019

October 29, 2020

La clasificación y el análisis definitivo de los 39 eventos detectados por Virgo y LIGO en el tercer período de observación (desde abril hasta octubre de 2019) han sido publicados hoy en el archivo online ArXiv. La mayoría de estos eventos se corresponden con fusiones de agujeros negros, cuyas características, no obstante, cuestionan algunos modelos astrofísicos ya establecidos y abren, por lo tanto, nuevos posibles escenarios. También se detectaron en este mismo período una posible fusión de estrellas de neutrones y lo que parecen ser dos sistemas mixtos formados por una estrella de neutrones y un agujero negro.

Aerial view of Virgo

Se ha necesitado un año de trabajo y análisis complejos por parte de los investigadores de las colaboraciones científicas Virgo y LIGO para completar el estudio de todas las señales de ondas gravitacionales que fueron registradas por el interferómetro Virgo, instalado en el Observatorio Gravitatorio Europeo, en Italia, y por los dos observatorios LIGO, en Estados Unidos, durante el período de toma de datos que tuvo lugar desde el 1 de abril hasta el 1 de octubre de 2019, denominado O3a. Los eventos incluidos son: 36 fusiones de agujeros negros; una posible fusión de un sistema binario de estrellas de neutrones; y dos sistemas compuestos, muy probablemente, por un agujero negro y una estrella de neutrones. Entre estos eventos, cuatro “eventos excepcionales” han sido ya publicados durante este último año, pero el catálogo que se publica hoy proporciona, por primera vez, una visión completa del extraordinariamente enorme número de señales de ondas gravitacionales detectadas y sus fuentes. Este catálogo representa la riqueza actual en observaciones y datos relacionados con la física de agujeros negros, casi inimaginable hasta tan solo hace pocos años.

Black Hole Catalog
Masas de sistemas binarios compactos detectados por LIGO / Virgo. Este gráfico muestra las masas de todos los sistemas binarios compactos detectados por LIGO / Virgo, con agujeros negros en azul y estrellas de neutrones en naranja. También se muestran los agujeros negros de masa estelar (púrpura) y las estrellas de neutrones (amarillas) descubiertas con observaciones electromagnéticas. Consulte también la versión interactiva de esta figura:https://ligo.northwestern.edu/media/mass-plot/index.html Credit: EGO/Virgo Collaboration, Ligo Collaboration

“Desde el final del período de observación O2 en agosto de 2017, se ha hecho un gran esfuerzo para mejorar algunos de los componentes técnicos y también diferentes sectores del detector, para así aumentar la sensibilidad de Virgo a lo largo de todo el rango de frecuencias”, comenta Ilaria Nardecchia, investigadora en la Universidad de Roma Tor Vergara y miembro de la Colaboración Virgo. “¡Hemos cosechado los frutos de nuestro trabajo al doblar la sensibilidad del detector!”

De hecho, entre septiembre de 2017 y abril de 2019, la sensibilidad de los tres detectores ha sido mejorada considerablemente. Esto ha llevado, por ejemplo, a que Virgo sea capaz de observar un volumen del universo casi diez veces más grande que en el período de observación anterior (O2).

“Las observaciones con Advanced Virgo y LIGO han superado las expectativas. Además de abrir una nueva y excitante fase en la historia de la observación del cosmos por parte del ser humano, estamos viendo eventos de los que no había evidencia observacional hasta ahora, o que iban más allá de nuestro conocimiento actual de la evolución estelar”, señala Ed Porter, directeur de recherche CNRS en APC-Paris, y miembro de la Colaboración Virgo.“Solamente cinco años después de la primera detección de ondas gravitacionales, podemos decir que la astronomía gravitatoria ya es una realidad.”

La detección de señales gravitacionales nos permite, de hecho, observar por primera vez de cerca la dinámica de extraordinarias fusiones de agujeros negros y estrellas de neutrones, que liberan estallidos de energía equivalentes a varias masas solares en forma de ondas gravitacionales. Esto nos permite estudiar, como nunca antes, la física de los agujeros negros, los fenómenos cósmicos que los generan e incluso las características de las mayores poblaciones de agujeros negros. En realidad, los resultados de este catálogo plantean cuestiones importantes sobre la validez de algunos de los escenarios astrofísicos y modelos que, hasta ahora, parecían ser los más plausibles.

En particular, las masas de los agujeros negros, presentadas en el catálogo O3a, cuestionan varios límites teóricos y observacionales sobre el rango de masas de las poblaciones de agujeros negros. Algunas observaciones, por ejemplo, indican la presencia de objetos compactos (que podrían ser tanto agujeros negros como estrellas de neutrones) exactamente en el hueco en la distribución de masas entre las masas de las estrellas de neutrones más masivas y las de los agujeros negros más ligeros que la comunidad astronómica ha observado hasta la fecha. Este hueco podría, por lo tanto, estrecharse o incluso desaparecer. Otros agujeros negros que han sido observados tienen una masa con un valor entre 65 y 120 masas solares, un rango prohibido por modelos de evolución estelar. De acuerdo con estos modelos, las estrellas muy masivas, a partir de un cierto punto, se desestabilizan completamente en una explosión de supernova, debido a un proceso llamado inestabilidad de pares, dejando tras de sí únicamente gas y polvo cósmico. La existencia de agujeros negros en el rango prohibido por la inestabilidad de pares sugiere otros mecanismos de formación de agujeros negros, como la fusión de agujeros negros más pequeños o la colisión de estrellas masivas, pero esto también podría indicar la necesidad de revisar nuestra descripción de las etapas finales de la vida de las estrellas.

BH Map
La imagen muestra las localizaciones en el cielo para las diferentes detecciones de LIGO-Virgo que están incluidas en el catálogo O3a. Cada localización, representada por un área sombreada sobre el mapa, se deduce en base a la información proporcionada por los tres detectores de la red. El día y hora de llegada a la Tierra, una etiqueta científica y el tiempo que tardó la señal en alcanzar la Tierra del lugar del Universo en que se generó, están registrados. Cuanto más pequeña es el área sombreada en el mapa del cielo, mejor ha sido localizada la señal. La localización es crucial para permitir las búsquedas de contrapartidas con diferentes mensajeros, como luz o neutrinos. Credito: EGO/Virgo Collaboration/Greco

La publicación del catálogo O3a es la conclusión de un trabajo complejo que involucra muchas fases, incluyendo la calibración del detector, la caracterización de los datos y el análisis de los datos. El catálogo de cada período de observación se publica únicamente una vez los investigadores tienen validado el conjunto de datos final, haciendo así posible la estimación de los parámetros físicos (como la distancia, masa y espines) de las fusiones de agujeros negros y estrellas de neutrones, y también una estimación fiable de sus márgenes de error. De los 39 eventos presentados en este último catálogo, 26 fueron anunciados inmediatamente después de su detección, mientras que otros 13 se anuncian por primera vez en la publicación de hoy. Estos eventos se añaden a los 11 eventos de ondas gravitacionales anunciados por LIGO y Virgo en los anteriores períodos (O1 y O2). Además del catálogo de eventos de LIGO-Virgo, otros tres artículos adicionales han sido enviados hoy al servidor de arXiv: el análisis global de las propiedades astrofísicas de las fuentes de ondas gravitacionales; los nuevos tests de la teoría de la Relatividad General; y la búsqueda de señales de ondas gravitacionales coincidentes con estallidos de rayos gamma.

“Estos artículos son muy importantes y representan un paso adelante en un largo y excitante viaje”, apunta Giovanni Losurdo, investigador de INFN y portavoz de la Colaboración Virgo. “Estamos ya esperando impacientemente los resultados de la segunda parte del tercer período de observación (O3b). El elevado número de eventos aún por analizar y entender promete que el siguiente catálogo sea tan excitante, si no más, que este. Mientras tanto, estamos esforzándonos en implementar una mejora substancial en el detector Virgo, con el objetivo de llegar al siguiente período, en 2022, de nuevo con una sensibilidad considerablemente mejorada.”

Proyectos de ciencia ciudadana en análisis de datos de ondas gravitacionales

Dos proyectos de ciencia ciudadana, Gravity Spy para LIGO, y el proyecto europeo REINFORCE para Virgo, permiten a cualquier persona contribuir a la identificación de señales espurias y por tanto al descubrimiento de nuevas señales de ondas gravitacionales, colaborando directamente con investigadores involucrados en el análisis de los datos de los tres interferómetros. De hecho, aunque las fuentes externas e internas de ruido están minimizadas, los datos tomados por los interferómetros todavía están plagados de algunas perturbaciones. En algunos casos estas perturbaciones se monitorizan con sensores y son entonces substraídas de los datos en tiempo real. No obstante, la identificación de otros ruidos es más problemática y requiere un dedicado análisis no en tiempo real para reducirlos. Este es el caso de los ruidos transitorios, como aquellos generados, por ejemplo, por luz dispersada del rayo láser principal y que luego se recombina con él. Los estudios cuidadosos que se necesitan para confirmar una señal de onda gravitacional real explican por qué las colaboraciones LIGO y Virgo emiten alertas sobre un candidato a evento a la comunidad científica poco después de ser detectado. Este puede ser confirmado con el subsecuente análisis y entonces ser considerado una señal real o no. Gracias a Gravity Spy y REINFORCE, ciudadanos científicos pueden ayudar a los investigadores en este complejo trabajo de análisis accediendo directamente a los datos detectados por los interferómetros LIGO y Virgo.