Virgo i LIGO, caçadors d’ones gravitacionals

La col·laboració internacional LIGO/Virgo formada pels dos detectors LIGO, als Estats Units, i Virgo, a Europa, lidera la detecció i descobriment d’ones gravitacionals.

Les ones gravitacionals són ones en el teixit de l’espai–temps, que es produeixen quan masses molt grans s’acceleren o es deformen, i que es propaguen a la velocitat de la llum. Les produeixen els fenòmens més violents de l’Univers, com les explosions de supernoves o les interaccions entre forats negres o entre estrelles de neutrons, i són potents com perquè siguin detectades amb els instruments actuals.

De la teoria a l’observació

Es coneix l’existència de les ones gravitacionals des de la publicació de la teoria de la relativitat general d’Einstein, l’any 1916. Einstein va predir que quan dos cossos orbiten entre sí es produeixen ondulacions a l'espai, de la mateixa manera que en llançar una pedra a una superfície d’aigua es formen onades. Tot i saber que existien, la primera detecció d’una ona gravitacional no es va produir fins l’any 2015, gairebé cent anys més tard.

L’any 1974, els investigadors Russell Alan Hulse i Joseph Hooton Taylor, de la Universitat de Princeton, detectaven unes emissions d'ones de ràdio fent servir l’antena d’Arecibo de 305m de diàmetre. Van identificar-ne la font com l’emissió d’un púlsar, una estrella de neutrons altament magnetitzada i amb una rotació molt ràpida, en un sistema estel·lar binari. Aquest experiment és considerat com la primera demostració indirecta de l’existència de les ones gravitacionals. El descobriment d’aquest púlsar, i les possibilitats que obria a l’estudi de la gravitació els va portar a ser guardonats amb el Premi Nobel de Física l’any 1993.

No obstant, la primera detecció directa d’ones gravitacionals no es produiria fins 40 anys més tard. El detector LIGO va observar, el 14 de setembre de 2015, l’ona gravitacional GW150914 (per les sigles en anglès de Gravitational Wave i la data, 2015-09-14), producte de la fusió d’un sistema binari de dos forats negres fa 1.300 milions d’anys. Aquesta observació també va ser premiada amb el Premi Nobel de Física 2017, aquesta vegada compartit entre els investigadors Rainer Weiss, Barry C. Barish i Kip Thorne, per les seves aportacions pioneres al detector LIGO. 

A la cerca d’ones gravitacionals

Els esdeveniments i fenòmens que produeixen les ones gravitacionals són tan extrems que són impossibles de reproduir en laboratoris, i solen estar situats a molta distància, de manera que les ones que arriben són molt difícils de detectar. De fet, van caldre més de 50 anys de recerca científica i d’avenços tecnològics de milers d’equips d’investigació arreu del món per poder observar-les per primer cop.

Els detectors d’ones gravitacionals LIGO i Virgo són interferòmetres làser terrestres, situats als Estats Units i a l’Observatori Gravitacional Europeu d’Itàlia respectivament. El detector Virgo està format per dos braços que s’estenen perpendicularment al llarg de 3 kilòmetres cadascun, i dins dels seus extrems es situa tota la maquinària i instrumentació necessària per formar l’interferòmetre. Els detectors han dut a terme tres períodes d’observacions (només dos pel cas de Virgo), entre els quals hi ha períodes de descans per tal d’implementar millores tècniques. Després d’un molt exitós tercer període d’observacions (anomenat O3), actualment la col·laboració està preparant el quart període d’observacions (O4) que es preveu pel 2022.

A la imatge de la dreta, es mostra com funciona el procés de detecció dels interferòmetres làser. a, S'envia llum làser a l'instrument per mesurar els canvis en la longitud dels dos braços. b, un "divisor de feix" divideix la llum i envia dos feixos idèntics al llarg dels braços. c, Les ones de llum reboten al mirall i tornen. d, una ona gravitacional afecta els braços de l'interferòmetre de manera diferent: un s'estén i l'altra es contrau a mesura que passen dels pics i valls de les ones gravitacionals. e, Normalment, la llum torna sense canvis a l'divisor de feix de tots dos braços i les ones de llum es cancel·len entre si. 

 

L’equip de l’ICCUB a Virgo

Actualment, més de 550 investigadors formen part de Virgo, provinents de 106 centres de recerca a 12 països diferents. L’Institut de Ciències del Cosmos va començar a formar part del detector Virgo a l’estiu de 2018. El grup d’investigadors de l’Institut de Ciències del Cosmos que col·labora a Virgo s’encarrega, principalment, del desenvolupament d’instrumentació electrònica per millorar l’interferòmetre, i de l’elaboració de tècniques d’anàlisi de dades i de models astrofísics dinàmics.

El coordinador de l’equip de Virgo és l’investigador Jordi Portell. “La nostra participació a Virgo es basa en quatre pilars principals: la instrumentació, la computació, l’anàlisi de les dades i el desenvolupament de models científics”, comenta. La instrumentació és la part que engloba tot el conjunt d’instruments de mesura que s’encarreguen del sensat i processament de la informació provinent de variables físiques. Portell afegeix, “Les nostres aportacions en instrumentació permeten millorar la sensibilitat de l’instrument per poder detectar ones gravitacionals provocades per fenòmens més llunyans, o bé causades per objectes menys massius. En computació, aportem la nostra experiència en grans projectes com la missió Gaia per processar les dades d’una manera més eficient. L'anàlisi de les dades és el que ens permet detectar i descriure els senyals de les ones gravitacionals. Les noves tècniques que estem desenvolupant ens permetran fer-ho més acuradament. I finalment, a partir de les observacions de Virgo i LIGO, els nostres científics estan treballant en models astrofísics que permetin entendre millor el nostre cosmos.”

Però, quines dades obtenen els científics? I com hi veuen les “marques” de les ones gravitacionals? L’investigador explica, “Les mesures que fan els interferòmetres es converteixen a digital i són, en essència, soroll. Entre tot aquest soroll es troben amagats els senyals - formes d'ona- corresponents a ones gravitacionals”, assenyala.  “Seria, més o menys, com si estiguessis a una vorera de la Diagonal en plena hora punta i provessis d’escoltar i entendre el que et diu algú des de l'altra vorera. No és impossible, però has de caracteritzar molt bé el soroll, i saber quin tipus de so aproximat vols escoltar, per ser capaç d'entendre-ho.”

Últims descobriments

Aquest juny la col·laboració anunciava el descobriment d’un objecte curiós, observat l'agost de 2019, que els investigadors dubtaven de catalogar o bé com l'estrella de neutrons més massiva mai detectada o bé com el forat negre més lleuger mai vist. El nostre investigador i professor ICREA Roberto Emparan en comentava el significat a Ràdio Sant Cugat. 

 

Al setembre, els detectors publicaven dos articles, a les revistes Physical Review Letters i Astrophysical Journal Letters respectivament, on analitzaven la observació d’un sistema binari format per dos forats negres. L’investigador de l’ICCUB i part de Virgo Mark Gieles, n’explicava els detalls a la secció de ciència del podcast “Carne Cruda Radio”. En aquesta ocasió, la troballa es va detectar al observar la ona gravitacional resultant de la fusió dels dos forats negres, anomenada GW190521. Els investigadors destacaven que el forat negre resultant és el més massiu que s’ha detectat amb aquest mètode, amb una massa corresponent a 142 vegades la del Sol. 

 

Sobre l'investigador

El Jordi Portell és enginyer, treballa en el processament i anàlisi de dades a la Unitat Tecnològica i és investigador del grup Gaia i coordinador del grup Virgo de l'ICCUB. Ha publicat més de 10 articles en revistes científiques, és coautor d'una patent i ha dirigit dues tesis doctorals. Portell també director de tecnologia de la empresa spin-off de la Universitat de Barcelona i la Universitat Politècnica Dapcom Data Services, que comercialitza productes de compressió de dades.