Els detectors de la col·laboració LIGO-Virgo-KAGRA van captar l’ona gravitacional generada per la fusió amb un objecte desconegut d’una massa més gran que l’esperada per a una estrella de neutrons i més petita que un forat negre.
La descoberta de GW230529 aporta informació essencial per millorar el coneixement actual sobre les poblacions de forats negres i estrelles de neutrons.
Un equip d’investigadors del grup GRAVITY de la Universitat de les Illes Balears ha participat en la detecció del senyal d’ones gravitacionals GW230529, realitzada pels detectors de la col·laboració LIGO-Virgo-KAGRA el 29 de maig de 2023. La detecció es va produir durant la primera part del quart període d’observació (04a) dels detectors, del 24 de maig de 2023 al 16 de gener de 2024.
Aquesta ona gravitacional hauria estat causada per la fusió d’un estel de neutrons d’entre 1,2 i 2 masses solars i un objecte compacte desconegut d’entre 2,5 i 4,5 masses solars, més gran que l’esperada per ser una estrella de neutrons i més petita que un forat negre.
La massa d’aquest objecte desconegut desafia els models actuals de poblacions de forats negres i estels de neutrons, que proposaven l’existència d’una bretxa en la distribució d’objectes compactes, segons la qual no podrien existir objectes en l’interval entre 3 i 5 masses solars. Fins ara, els estels de neutrons detectats tenen menys de 3 masses solars, mentre que els forats negres en tindrien més de 5.
Observacions recents d’ones gravitacionals haurien proposat l’existència d’objectes situats en aquesta bretxa de masses. Per a una detecció anterior, GW190814, es va estimar que un dels objectes causants se situaria entre 2,5 i 2,7 masses solars, més elevada que l’estel de neutrons més pesat observat fins ara, però molt menor que les masses de forats negres. Tot i així, aquest esdeveniment no es trobava amb certesa en la bretxa de masses.
Les fusions d’estels de neutrons i forats negres són esdeveniments poc freqüents. Per això, cada nova detecció és extremadament valuosa per a l’estudi dels índexs de fusió, i per a la caracterització de les poblacions de forats negres i estels de neutrons, que és un dels objectius de l’ astronomia de les ones gravitacionals.
Els investigadors de la col·laboració LIGO-Virgo-KAGRA assenyalen que la naturalesa de l’objecte desconegut fa de GW230529 un candidat ferm per redefinir els models de poblacions de forats negres i estrelles de neutrons.
Com es va formar GW230529?
El procés de formació que va donar lloc a GW230529 és incert. Els investigadors manegen dos escenaris plausibles. El primer seria la formació per retrocés, on el col·lapse del nucli d’una supernova dona lloc a un forat negre (i no a una estel de neutrons) a causa de l’acumulació de material residual procedent del nucli.
Resultats recents de models numèrics han demostrat que la formació de forats negres d’entre 3 i 6 masses solars és possible mitjançant aquest mecanisme de formació. Les simulacions de col·lapse del nucli per a estels d’heli han predit masses de forats negres tan baixes com la massa màxima de les estels de neutrons, tot i que el rang de masses per sota de 5 masses solars està menys poblat.
A dia d’avui, els models de col·lapse del nucli continuen presentant grans incerteses quant al resultat del procés, per la qual cosa resulta difícil determinar amb precisió els límits de les masses dels objectes compactes. GW230529 és, per tant, un valuós recurs per restringir aquests models.
Un altre escenari possible per a la formació del component primari és a través d’una fusió binària d’estels de neutrons. En aquest cas es podria imaginar que la component secundària és membre d’un antic sistema triple o quàdruple, o que la va capturar mentre evolucionava en un cúmul estel·lar jove o en un nucli galàctic actiu. Tampoc es podria excloure un origen no estel·lar, com un forat negre primordial.
L’estudi d’altres sistemes en la bretxa de massa, com GW230529, permetrà refinar la comprensió de les poblacions de forats negres i estels de neutrons. Això, al seu torn, permetrà comprendre millor els seus mecanismes de formació i, en el cas de les estels de neutrons, la seva estructura interna.
La participació del grup GRAVITY de la UIB
El grup GRAVITY de la Universitat de les Illes Balears és l’únic grup espanyol que ha participat en totes les deteccions d’ones gravitacionals a través de la Col·laboració Científica LIGO. A més, té un paper destacat en la missió espacial LISA, aprovada recentment per l’Agència Espacial Europea (ESA) per fer realitat la construcció del primer observatori espacial d’ones gravitacionals.
Diversos models de forma d’ona desenvolupats pel grup GRAVITY-UIB s’han utilitzat per a l’anàlisi de GW230529. Aquests models incorporen efectes físics clau, atesa la naturalesa incerta dels objectes compactes de la font.
En particular, el model de sistemes binaris de forats negres (IMRPhenomXPHM), liderat pel doctor Sascha Husa, és un dels models de referència usat per als resultats principals de l’article científic en el qual es recull la troballa.
Un altre model de sistemes binaris formats per estels de neutrons (IMRPhenomXP_NRTidalv2) desenvolupat recentment a la UIB per la doctora Marta Colleoni i els seus col·laboradors, va ser utilitzat en una anàlisi addicional per buscar desviacions en el senyal més enllà de la teoria de la relativitat general d’Einstein. Els resultats aconseguits amb aquest model són consistents amb la teoria estàndard
A més, la doctora Anna Heffernan va participar de manera directa en les estimacions inicials dels paràmetres del senyal GW230529, com un dels 6 membres del torn de guàrdia quan es va produir la detecció, a les 19.15 hores CEST del 29 de maig de 2023. La doctora Heffernan i els seus companys van iniciar investigacions més detallades utilitzant els models desenvolupats a la Universitat de les Illes Balears, IMRPhenomXPHM i altres com IMRPhenomNSBH, que van ser continuades per altres equips de la col·laboració LIGO-Virgo-KAGRA, atesa la importància de l’esdeveniment. De fet, GW230529 va ser el primer esdeveniment que es va considerar d’alta prioritat del període d’observació O4a.
Per la seva banda, el doctor David Keitel, ha participat en l’estudi de l’escenari de l’efecte de lent gravitacional per GW230529. Aquest estudi ha considerat la possibilitat, tot i que poc probable, que una massa gran, com una galàxia, hagi pogut magnificar el senyal d’una fusió normal d’estels de neutrons fent que semblés la fusió d’objectes més massius.
El grup GRAVITY, liderat per la doctora Alicia Sintes, és membre de l’Institut d’Aplicacions Computacionals de Codi Comunitari (IAC3) de la UIB i de l’Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (IEEC). Té el suport de l’Agència Estatal d’Investigació d’Espanya a través dels ajuts PID2022-138626NB-I00, CNS2022-135440, RED2022-134204-E, RED2022-134411-T, finançats per MCIN/AEI/10.13039/501100011033/FEDER, UE; el MCIN amb finançament de la Unió Europea NextGenerationEU/PRTR (PRTR-C17. I1); i la Comunitat Autonòma de les Illes Balears a través de la Direcció General de Recerca, Innovació i Transformació Digital amb fons de la Llei de l’Impost d’Estades Turístiques (PDR2020/11 – ITS2017-006), la Conselleria d’Economia, Hisenda i Innovació SINCO2022/18146 i SINCO2022/6719, cofinançat per la Unió Europea i el Programa Operatiu FEDER 2021-2027 d’Illes Balears, “FEDER Una forma de fer Europa”, i la Xarxa Espanyola de Supercomputació.
L’observació continua
L’anunci de la publicació dels resultats de GW230529 es realitza pocs dies abans que la col·laboració LIGO-Virgo-KAGRA reprengui la segona part del quart període d’observació (O4b), a partir del 10 d’abril de 2024 i fins al febrer de 2025, amb una sensibilitat millorada.
Mentre continuï l’observació, els investigadors de LIGO-Virgo-KAGRA analitzaran les dades de la primera part del període i comprovaran els 80 senyals que van ser identificats. Al final del quart període d’observació, al febrer de 2025, el nombre total de senyals d’ones gravitacionals observades podria superar les 200.
Observatoris d’ ones gravitacionals
LIGO és finançat pel NSF i operat per Caltech i MIT, que van concebre i construir el projecte. El suport econòmic per al projecte Advanced LIGO va ser liderat pel NSF, juntament amb Alemanya (Societat Max Planck), el Regne Unit (Science and Technology Facilities Council) i Austràlia (Australian Research Council), que van realitzar compromisos i contribucions significatives al projecte. Més de 1600 científics d’arreu del món participen en l’esforç conjunt a través de la Col·laboració Científica LIGO, que inclou la Col·laboració GEO. Una llista dels socis addicionals està disponible a https://my.ligo.org/census.php.
La Col·laboració Virgo està composta actualment per uns 880 membres de 152 institucions de 17 països, majoritàriament europeus. L’Observatori Europeu Gravitacional (EGO) acull el detector Virgo a prop de Pisa a Itàlia, i ha estat finançat pel Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) a França, l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) a Itàlia, i Nationaal (Nikhef) als Països Baixos. Una llista dels grups a la Col·laboració Virgo es pot trobar a https://www.virgo-gw.eu/about/scientific-collaboration/. Més informació està disponible a la pàgina web de Virgo: http://www.virgo-gw.eu.
KAGRA és un interferòmetre làser amb un braç de 3 km de longitud situat a Kamioka, Gifu (Japó). L’institut amfitrió és l’Institute for Cosmic Ray Research (ICRR) de la Universitat de Tòquio, i el projecte està copatrocinat per National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ) i High Energy Accelerator Research Organization (KEK). La col·laboració de KAGRA es compon de més de 400 membres de 128 instituts de 17 països/regions. La informació de KAGRA per al públic en general es troba al lloc web https://gwcenter.icrr.u-tokyo.ac.jp/en/. Els recursos per a investigadors estan accessibles en http://gwwiki.icrr.u-tokyo.ac.jp/JGWwiki/KAGRA.
Referències bibliogràfiques
Els resultats de GW230529 s’ han publicat a:
- Observation of Gravitational Waves from the Coalescence of a 2.5-4.5 M☉ Compact Object and a Neutron Star. Prepublicació disponible a: https://dcc.ligo.org/P2300352/public/main
Els models de forma d’ona desenvolupats pel grup GRAVITY de la Universitat de les Illes Balears s’han publicat a:
- Computationally efficient models for the dominant and subdominant harmonic modes of precessing binary black holes. Geraint Pratten, Cecilio García-Quirós, Marta Colleoni, Antoni Ramos-Buades, Héctor Estellés, Maite Mateu-Lucena, Rafel Jaume, Maria Haney, David Keitel, Jonathan E. Thompson, and Sascha Husa. Phys. Rev. D 103, 104056 – Published 25 May 2021
- IMRPhenomXHM: A multi-mode frequency-domain model for the gravitational wave signal from non-precessing black-hole binaries. Cecilio García-Quirós, Marta Colleoni, Sascha Husa, Héctor Estellés, Geraint Pratten, Antoni Ramos-Buades, Maite Mateu-Lucena, Rafel Jaume. Phys. Rev. D 102, 064002 – Published 2 September 2020
- IMRPhenomXP_NRTidalv2: An improved frequency-domain precessing binary neutron star waveform model. Colleoni, M., Vidal, F. A. R., Johnson-McDaniel, N. K., et al. 2023, arXiv e-prints. https://arxiv.org/abs/2311.15978