Virgo y LIGO, cazadores de ondas gravitacionales

La colaboración internacional LIGO/Virgo formada por los dos detectores LIGO, en Estados Unidos, y Virgo, en Europa, lidera la detección y descubrimiento de ondas gravitacionales.

Las ondas gravitacionales son ondas en el tejido del espacio-tiempo, que se producen cuando masas muy grandes se aceleran o se deforman, y que se propagan a la velocidad de la luz. Las producen los fenómenos más violentos del Universo, como las explosiones de supernovas o las interacciones entre agujeros negros o entre estrellas de neutrones, y son lo suficientemente potentes como para ser detectadas con los instrumentos actuales.

De la teoria a la observación

Se conoce la existencia de las ondas gravitacionales desde la publicación de la teoría de la teoria de la relatividad general de Einstein, en 1916. Einstein predijo que cuando dos cuerpos orbitan entre sí se producen ondulaciones en el espacio, de la misma manera que al lanzar una piedra en una superficie de agua se forman olas. Aunque sabíamos de su existencia, la primera detección de una onda gravitacional no se produjo hasta el año 2015, casi cien años más tarde.

En 1974, los investigadores Russell Alan Hulse y Joseph Hooton Taylor, de la Universidad de Princeton, detectaban unas emisiones de ondas de radio con la antena de Arecibo de 305m de diámetro. Identificaron la fuente como la emisión de un pulsar, una estrella de neutrones altamente magnetizada y con una rotación muy rápida, situada en un sistema estelar binario. Este experimento es considerado como la primera demostración indirecta de la existencia de las ondas gravitacionales. El descubrimiento de este púlsar, y las posibilidades que abría en el estudio de la gravitación, fueron premiados con el Premio Nobel de Física en 1993.

Sin embargo, pasaron otros 40 años hasta que se produjo la primera detección directa de ondas gravitacionales. Los dos detectores LIGO observaron, el 14 de septiembre de 2015, la onda gravitacional GW150914 (por las siglas en inglés de Gravitational Wave y la fecha, 2015-09-14), producto de la fusión de un sistema binario de dos agujeros negros hace 1.300 millones de años. Esta observación también fue premiada con el Premio Nobel de Física 2017, esta vez compartido entre los investigadores Rainer Weiss, Barry C. Barish y Kip Thorne, por sus aportaciones pioneras en el detector LIGO.

Buscando ondas gravitacionales

Los acontecimientos y fenómenos que producen las ondas gravitacionales son tan extremos que son imposibles de reproducir en el laboratorio. Además, suelen estar situados a mucha distancia, por lo que las ondas que llegan a la superficie terrestre son muy difíciles de detectar. Fueron necesarios más de 50 años de investigación científica y de avances tecnológicos, de miles de equipos de investigación en todo el mundo, para poder observarlas por primera vez.

Los detectores de ondas gravitacionales LIGO y Virgo son antenas - interferómetros láser- terrestres, situados en los Estados Unidos y en el Observatorio Gravitacional Europeo de Italia respectivamente. El detector Virgo está formado por dos brazos que se extienden perpendicularmente a lo largo de 3 kilómetros cada uno, que albergan en sus extremos toda la maquinaria e instrumentación necesaria para formar el interferómetro. Los detectores han realizado tres períodos de observaciones (sólo dos en el caso de Virgo), entre los cuáles hay períodos de descanso para desarrollar las mejoras técnicas. Después de un muy exitoso tercer período de observaciones (llamado O3), actualmente la colaboración está preparando el cuarto período, llamado O4, que se prevé para el 2022.

En la imagen de la derecha, se muestra cómo funciona el proceso de detección de los interferómetros láser. a, Se envía luz láser al instrumento para medir los cambios en la longitud de los dos brazos. b, un "divisor de haz" divide la luz y envía dos haces idénticos a lo largo de los brazos. c, Las ondas de luz rebotan en el espejo y vuelven. d, una onda gravitacional afecta a los brazos del interferómetro de manera diferente; uno se extiende, y el otro se contrae a medida que pasan los picos y valles de las ondas gravitacionales. e, Normalmente, la luz vuelve sin cambios al divisor de haz de ambos brazos y las ondas de luz se cancelan entre sí.

 

 

El equipo del ICCUB en Virgo

Virgo está formado por más de 550 investigadores provenientes de 106 centros de investigación en 12 países diferentes. El Instituto de Ciencias del Cosmos comenzó a formar parte del detector Virgo en verano de 2018. El grupo de investigadores del ICCUB que colabora en Virgo se encarga, principalmente, del desarrollo de instrumentación electrónica para mejorar el interferómetro, y de la elaboración de técnicas de análisis de datos y de modelos astrofísicos dinámicos.

El coordinador del equipo de Virgo es el investigador Jordi Portell. "Nuestra participación en Virgo se basa en cuatro pilares principales: la instrumentación, la computación, el análisis de los datos y el desarrollo de modelos científicos", comenta. La instrumentación es la parte que engloba todo el conjunto de instrumentos de medida que se encargan del muestreo y procesamiento de la información proveniente de variables físicas. Portell añade, "Nuestras aportaciones en instrumentación permiten mejorar la sensibilidad del instrumento para poder detectar ondas gravitacionales provocadas por fenómenos más lejanos, o bien causadas por objetos menos masivos. En computación, aportamos nuestra experiencia en otros grandes proyectos como la misión Gaia para procesar los datos de una manera más eficiente. El análisis de los datos es lo que nos permite detectar y describir las señales de las ondas gravitacionales, y las nuevas técnicas que estamos desarrollando nos permitirán hacerlo más cuidadosamente. Y finalmente, trabajamos en modelos astrofísicos que nos permitan entender mejor nuestro cosmos."

¿Pero, qué datos obtienen los científicos? ¿Y cómo ven las “marcas” de las ondas gravitacionales? El investigador explica, "Las medidas que hacen los interferómetros se convierten a digital y son, en esencia, ruido. Entre todo este ruido se encuentran escondidas las señales - formas de onda- correspondientes a las ondas gravitacionales", señala. "Sería, más o menos, como si estuvieras en una acera de la Diagonal en plena hora punta intentando escuchar y entender lo que te dice alguien desde la otra acera. No es imposible, pero tienes que caracterizar muy bien el ruido y saber qué tipo de sonido aproximado quieres escuchar para ser capaz de entenderlo."

Últimos descubrimientos

En junio, la colaboración anunciaba el descubrimiento de un objeto curioso, observado en agosto de 2019. Los investigadores dudaban si catalogarlo como la estrella de neutrones más masiva jamás detectada o bien como el agujero negro más ligero nunca visto. Nuestro investigador y profesor ICREA Roberto Emparan lo comentaba en Ràdio Sant Cugat. 

En septiembre, los detectores publicaban dos artículos simultáneos, en las revistas Physical Review Letters y Astrophysical Journal Letters respectivamente, donde analizaban la observación de un sistema binario formado por dos agujeros negros. El investigador del ICCUB y parte de Virgo Mark Gieles, explicaba los detalles en la sección de ciencia del podcast "Carne Cruda Radio". En esta ocasión, el hallazgo se detectó al observar la onda gravitacional resultante de la fusión de los dos agujeros negros llamada GW190521. El agujero negro resultante es el más masivo que se ha detectado con este método, con una masa correspondiente a 142 veces la del Sol.

 

 

Sobre el investigador

Jordi Portell es ingeniero, trabaja en el procesamiento y análisis de datos en la Unidad Tecnológica y es investigador del grupo Gaia y coordinador del grupo Virgo del ICCUB. Ha publicado más de 10 artículos en revistas científicas, es coautor de una patente y ha dirigido dos tesis doctorales. Portell también director de tecnología de la empresa spin-off de la Universidad de Barcelona y la Universidad Politécnica de Barcelona, Dapcom Data Services, que comercializa productos de compresión de datos.