LIGO y Virgo detectan colisiones de estrellas de neutrones

Un estudiante de doctorado de la UIB está realizando una estancia en el observatorio de LIGO en Hanford

El 25 de abril de 2019, el Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferometría Láser (LIGO) y el detector Virgo, con sede en Italia, registraron ondas gravitacionales de lo que parece ser un choque entre dos estrellas de neutrones, los densos remanentes de estrellas masivas que explotaron previamente. Un día después, el 26 de abril, la red LIGO-Virgo descubrió otra fuente candidata que, de hecho, puede haber sido el resultado de la colisión de una estrella de neutrones y un agujero negro, un evento nunca antes visto. O puede que, de confirmarse, otra fusión de dos estrellas de neutrones.

Los descubrimientos llegan pocas semanas después de que LIGO y Virgo volvieran a entrar en funcionamiento. Los detectores gemelos de LIGO -uno en Washington y otro en Luisiana- junto con Virgo, ubicados en el Observatorio Gravitacional Europeo (EGO) en Italia, reanudaron sus operaciones el 1 de abril, después de someterse a una serie de mejoras para aumentar su sensibilidad a las ondas gravitacionales. Cada detector examina ahora mayores volúmenes del universo que antes, buscando eventos extremos tales como choques entre agujeros negros y estrellas de neutrones.

Además de los dos nuevos candidatos que involucran a las estrellas de neutrones, la red LIGO-Virgo ha visto, en esta última edición, tres probables fusiones de agujeros negros. En total, desde que se hizo historia con la primera detección directa de ondas gravitacionales en 2015, la red ha descubierto pruebas de dos fusiones de estrellas de neutrones; 13 fusiones de agujeros negros; y una posible fusión de estrellas de neutrones de agujeros negros.

La participación de la UIB

El Grupo de Física Gravitacional de la UIB, que lidera la doctora Alicia M. Sintes, es el único grupo español que ha participado en todas las detecciones realizadas hasta el momento. Y, de hecho, estas nuevas detecciones se producido coincidiendo con la estancia en el observatorio de LIGO en Hanford de un alumno de doctorado de la Universidad de las Illes Balears, Pep Covas.

Durante el actual periodo de funcionamiento de LIGO-Virgo, los investigadores de la UIB están llevando a cabo un amplio programa científico para estudiar las ondas gravitacionales emitidas por agujeros negros y estrellas de neutrones. El equipo continua liderando las búsquedas de señales de ondas continuas provenientes de estrellas de neutrones desconocidas, así como las señales transitorias emitidas después de la fusión de dos estrellas de neutrones. Los modelos de la señal de onda gravitacional provenientes de la fusión de agujeros negros son una parte esencial del proceso de análisis de datos, y la UIB participa en el desarrollo de uno de los dos modelos clave utilizados hasta ahora.

Ondas gravitacionales

Cuando dos agujeros negros chocan, deforman el tejido del espacio y el tiempo, produciendo ondas gravitacionales. Cuando dos estrellas de neutrones chocan, no sólo envían ondas gravitacionales sino también luz. Esto significa que los telescopios sensibles a las ondas de luz a través del espectro electromagnético pueden ser testigos de estos ardientes impactos junto con LIGO y Virgo. Uno de estos eventos ocurrió en agosto de 2017: LIGO y Virgo descubrieron inicialmente una fusión de estrellas de neutrones en ondas gravitacionales y luego, en los días y meses siguientes, cerca de 70 telescopios en tierra y en el espacio fueron testigos de las explosivas secuelas de las ondas de luz, incluyendo todo, desde rayos gamma hasta luz óptica y ondas de radio.

En el caso de los dos recientes candidatos a estrellas de neutrones, los telescopios de todo el mundo corrieron una vez más para rastrear las fuentes y captar la luz que se espera que surja de estas fusiones. Cientos de astrónomos apuntaron con entusiasmo telescopios a parches de cielo que se sospechaba que albergaban las fuentes de la señal. Sin embargo, en este momento, ninguna de las dos fuentes ha sido identificada.

Se estima que el choque de estrellas de neutrones del 25 de abril, apodado S190425z, ocurrió a unos 500 millones de años-luz de distancia de la Tierra. Sólo una de las dos instalaciones gemelas de LIGO captó su señal junto con Virgo (LIGO Livingston fue testigo del evento, pero LIGO Hanford estaba desconectado). Debido a que sólo dos de los tres detectores registraron la señal, las estimaciones de la ubicación en el cielo desde la cual se originó no fueron precisas, dejando a los astrónomos observar casi una cuarta parte del cielo en busca de la fuente.

Se estima que la posible colisión entre la estrella de neutrones del 26 de abril y el agujero negro (conocido como S190426c) tuvo lugar aproximadamente a 1.200 millones de años-luz de distancia. Fue visto por las tres instalaciones de LIGO-Virgo, lo que ayudó a estrechar su ubicación a regiones que cubrían alrededor de 1.100 grados cuadrados, o alrededor del 3 por ciento del cielo total.

LIGO

LIGO está financiado por la NSF y operado por Caltech y MIT, que concibieron LIGO y condujeron a los proyectos de LIGO Inicial y Avanzado. El apoyo económico para el proyecto LIGO Avanzado fue liderado por la NSF junto con Alemania (Sociedad Max Planck), el Reino Unido (Consejo de Instalaciones Científicas y Tecnológicas, Science and Technology Facilities Council en inglés) y Australia (Consejo OzGrav australiano de Investigación, Australian Research Council-OzGrav en inglés) realizando compromisos significativos y contribuciones al proyecto. Casi 1300 científicos de todo el mundo participan en el esfuerzo conjunto a través de la Colaboración Científica LIGO, que incluye a la Colaboración GEO. Una lista de los socios adicionales está disponible en https://my.ligo.org/census.php.

Virgo

La Colaboración Virgo está compuesta actualmente por unos 350 científicos, ingenieros y técnicos de alrededor de 70 instituciones de Bélgica, Francia, Alemania, Hungría, Italia, los Países Bajos, Polonia y España. El Observatorio Europeo Gravitacional (EGO, por sus siglas en inglés) acoge al detector Virgo cerca de Pisa en Italia, y ha sido fundado por el Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) en Francia, el Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) en Italia, y Nikhef en los Países Bajos. Una lista de los grupos en la Colaboración Virgo puede encontrarse en http://public.virgo-gw.eu/the-virgo-collaboration/. Más información está disponible en la página web de Virgo: http://www.virgo-gw.eu.


LIGO and Virgo Detect Neutron Star Smash-Ups

On April 25, 2019, the National Science Foundation’s Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) and the European-based Virgo detector registered gravitational waves from what appears likely to be a crash between two neutron stars—the dense remnants of massive stars that previously exploded. One day later, on April 26, the LIGO-Virgo network spotted another candidate source with a potentially interesting twist: it may in fact have resulted from the collision of a neutron star and black hole, an event never before witnessed.

“The universe is keeping us on our toes,” says Patrick Brady, spokesperson for the LIGO Scientific Collaboration and a professor of physics at the University of Wisconsin-Milwaukee. “We’re especially curious about the April 26 candidate. Unfortunately, the signal is rather weak. It’s like listening to somebody whisper a word in a busy café; it can be difficult to make out the word or even to be sure that the person whispered at all. It will take some time to reach a conclusion about this candidate.”

“NSF’s LIGO, in collaboration with Virgo, has opened up the universe to future generations of scientists,” says NSF Director France Cordova. “Once again, we have witnessed the remarkable phenomenon of a neutron star merger, followed up closely by another possible merger of collapsed stars. With these new discoveries, we see the LIGO-Virgo collaborations realizing their potential of regularly producing discoveries that were once impossible. The data from these discoveries, and others sure to follow, will help the scientific community revolutionize our understanding of the invisible universe.”

The discoveries come just weeks after LIGO and Virgo turned back on. The twin detectors of LIGO—one in Washington and one in Louisiana—along with Virgo, located at the European Gravitational Observatory (EGO) in Italy, resumed operations April 1, after undergoing a series of upgrades to increase their sensitivities to gravitational waves—ripples in space and time. Each detector now surveys larger volumes of the universe than before, searching for extreme events such as smash-ups between black holes and neutron stars.

“Joining human forces and instruments across the LIGO and Virgo collaborations has been once again the recipe of an incomparable scientific month, and the current observing run will comprise 11 more months,” says Giovanni Prodi, the Virgo Data Analysis Coordinator, at the University of Trento and the Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) in Italy. “The Virgo detector works with the highest stability, covering the sky 90 percent of the time with useful data. This is helping in pointing to the sources, both when the network is in full operation and at times when only one of the LIGO detectors is operating. We have a lot of groundbreaking research work ahead.”

In addition to the two new candidates involving neutron stars, the LIGO-Virgo network has, in this latest run, spotted three likely black hole mergers. In total, since making history with the first-ever direct detection of gravitational waves in 2015, the network has spotted evidence for two neutron star mergers; 13 black hole mergers; and one possible black hole-neutron star merger.

When two black holes collide, they warp the fabric of space and time, producing gravitational waves. When two neutron stars collide, they not only send out gravitational waves but also light. That means telescopes sensitive to light waves across the electromagnetic spectrum can witness these fiery impacts together with LIGO and Virgo. One such event occurred in August 2017: LIGO and Virgo initially spotted a neutron star merger in gravitational waves and then, in the days and months that followed, about 70 telescopes on the ground and in space witnessed the explosive aftermath in light waves, including everything from gamma rays to optical light to radio waves.

In the case of the two recent neutron star candidates, telescopes around the world once again raced to track the sources and pick up the light expected to arise from these mergers. Hundreds of astronomers eagerly pointed telescopes at patches of sky suspected to house the signal sources. However, at this time, neither of the sources has been pinpointed.

“The search for explosive counterparts of the gravitational-wave signal is challenging due to the amount of sky that must be covered and the rapid changes in brightness that are expected,” says Brady. “The rate of neutron star merger candidates being found with LIGO and Virgo will give more opportunities to search for the explosions over the next year.”

The April 25 neutron star smash-up, dubbed S190425z, is estimated to have occurred about 500 million light-years away from Earth. Only one of the twin LIGO facilities picked up its signal along with Virgo (LIGO Livingston witnessed the event but LIGO Hanford was offline.) Because only two of the three detectors registered the signal, estimates of the location in the sky from which it originated were not precise, leaving astronomers to survey nearly one-quarter of the sky for the source.

The possible April 26 neutron star-black hole collision (referred to as S190426c) is estimated to have taken place roughly 1.2 billion light-years away. It was seen by all three LIGO-Virgo facilities, which helped better narrow its location to regions covering about 1,100 square degrees, or about 3 percent of the total sky.

“The latest LIGO-Virgo observing run is proving to be the most exciting one so far,” says David H. Reitze of Caltech, Executive Director of LIGO. “We’re already seeing hints of the first observation of a black hole swallowing a neutron star. If it holds up, this would be a trifecta for LIGO and Virgo—in three years, we’ll have observed every type of black hole and neutron star collision. But we’ve learned that claims of detections require a tremendous amount of painstaking work—checking and rechecking—so we’ll have to see where the data takes us.”