Ones gravitacionals: la fusió de dos forats negres molt diferents detectats per primera vegada

LIGO i VIRGO continuen detectant les ones gravitacionals produïdes per col·lisions de forats negres estel·lars. Per primera vegada, la fusió observada es va produir amb forats negres de masses realment diferents. Suficient per comprovar nous aspectes de la física i astrofísica d’aquests objectes.

Imatge extreta de la simulació numèrica d'una fusió binaria de forats negres a l'origen
de la font de les ones gravitacionals GM190412, amb masses asimètriques i una
precessió orbital. Crèdit N. Fischer, H. Pfeiffer, A. Buonanno (Max Planck Institute
for Graviotational Physics), Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) Collaboration.

Hem entrat a l’era de l’astronomia gravitatòria des de fa uns anys gràcies als treballs pioners de Kip Thorne i Rainer Weiss a un costat de l’Atlàntic, i d’Alain Brillet i Thibault Damour a l’altra costat, sense oblidar tots els altres membres de les col·laboracions Ligo i Virgo que van permetre la detecció i l’anàlisi de les ones gravitacionals així com, per descomptat, tants altres noms associats durant dècades a la seva cerca (Ron Drever, Vladimir Braginsky etc. ..). Recordem que aquestes ones, predites per la teoria relativista de la gravitació de Einstein, són les ones en l'estructura de l'espai-temps que es distorsionen una mica com ho faria l'ona sonora en un sòlid.

La primera font detectada va ser, recordem GW150914, i es tractava de la fusió de dos forats negres de massa estel·lar. Una part de la massa total dels dos objectes, que contenia cadascun més de 30 vegades la massa del Sol, es va convertir en ones gravitacionals. Per donar una idea de l’energia que representa un succés així, imaginem que, si aquestes ones gravitacionals haguessin estat ones electromagnètiques, la font de la col·lisió observada el setembre del 2015 hauria aparegut al nostre cel més brillant que la Lluna plena. No obstant això, l'esdeveniment va tenir lloc a uns 1.300 milions d'anys llum de distància de la Via Làctia.

Algunes de les col·lisions d'estrelles de neutrons també es van descobrir mitjançant de la seva emissió d'ones gravitatòries i també electromagnètiques, donant un nou impuls al que s'anomena com al "multimissatger astronòmic" que pot combinar els senyals d'aquestes ones amb fluxos de neutrins.

Pel que fa a les fusions del forat negre, LIGO i VIRGO fins ara només han detectat col·lisions amb estrelles compactes de massa comparable, com és el cas del GW150914. Però avui dia, mentre que la tercera campanya d'observacions amb aquests detectors d'ones gravitatòries -el  termini d'O3, com diuen els investigadors- va començar el primer d'abril de 2019, els astrònoms han acabat d'explicar a un article a arXiv que un senyal molt particular havia estat mesurat per LIGO i VIRGO el 12 d’abril de 2019 a les 7.30 i 44 hores, hora de París. De fet, tot indica que la font anomenada GW190412 va implicar la fusió de dos forats negres les masses de les quals són realment diferents aquesta vegada: tot una estrena!

Simulació numèrica d'una fusió binaria de forats negres a l'origen de la font de les
ones gravitacionals GM190412, amb masses asimètriques i una precessió orbital.
Crèdit N. Fischer, H. Pfeiffer, A. Buonanno(Max Planck Institute for
Graviotational Physics), Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) Collaboration.

De la mateixa manera que el so produït per un instrument musical pot donar informació sobre l'estructura i la composició de l'instrument, les ones gravitacionals emeses per la col·lisió i la fusió de dos forats negres són riques en informació de tot tipus, en particular la massa i el moment angular associats amb la rotació de cada forat negre, però també la inclinació relativa comparada amb nosaltres del pla orbital inicial de les dues estrelles compactes abans de la fusió i, per descomptat, la distància a la qual es va produir. També podem provar la relativitat general a la recerca d’una nova física que l’estengui més enllà, com per exemple la de la teoria de les supercordes.

Una clau per entendre el naixement dels forats negres estel·lars binaris

Es va descobrir així que, en el cas de GW190412, una de les dues estrelles no només ha de ser aproximadament de tres a quatre vegades més massiva que l'altra, sinó que els forats negres que es van fusionar tenien masses de l'ordre de 30 i 8 vegades la massa del Sol. Es creu que l'esdeveniment s'ha produït aproximadament a 2.300 milions d'anys llum de la Via Làctia.

Els astrofísics relativistes van avui més enllà gràcies a l'asimetria de masses. Sabem que les ones (so, llum, etc.) es poden desglossar en la suma d’ones d’una freqüència simple i ben definida descrita per sinusoides elementals. Així doncs, hi ha un espectre com diuen els físics amb certes freqüències presents i d’altres no. Cadascuna d’aquestes ones elementals també té una amplitud, de manera que certs components, en el cas d’un so per exemple, serien molt forts i d’altres gairebé inaudibles. Aquests harmònics són en certa manera la targeta d’identitat d’un so i, per tant, d’un instrument musical i la partitura que podem tocar amb ell.

En el cas de GW190412, els investigadors van poder mesurar els harmònics teòricament predits per les equacions de la relativitat d'Einstein que encara no hem arribat encara a observar tant per les masses dels forats negres en joc eren comparables entre sí, i en menor mesura, perquè la sensibilitat dels detectors es millora constantment durant les pauses entre dues "series".

En un comunicat de premsa del CNRS, que participa en la col·laboració Europea de Virgo mitjançant el detector situat no lluny de Pisa, a Itàlia, Giancarlo Cella, investigador de l’Istituto nazionale di Fisica Nucleare (INFN) italià, i actualment coordinador de l’anàlisi de les dades de la col·laboració amb Virgo explica que  “els detectors de VIRGO i LIGO són cada cop més sensibles, la taxa de detecció augmenta i esperem observar esdeveniments nous o inesperats. GW190412 és inusual i interessant, a causa de la gran diferència de massa entre els dos forats negres que s'han fusionat. Descobrim que aquests sistemes existeixen i aprenem més sobre la seva raresa. Això ens permetrà entendre com es van formar, una pregunta que em fascina”.

La teoria de la gravetat d’Einstein en surt reforçada, així com la teoria dels forats negres basada en la famosa mètrica de Kerr que descriu l’espai-temps associat a un forat negre en rotació. Finalment, resulta que hi ha diversos escenaris que permeten donar compte de la disparitat entre les masses dels forats negres dels sistemes binaris i que condueixen a prediccions sobre les poblacions d’aquests objectes. Aquests escenaris depenen especialment dels llocs on es formen forats negres binaris, per exemple en cúmuls globulars o al voltant de forats negres supermassius. Les properes deteccions de col·lisions de forats negres, reforçades per l'arribada de nous detectors com KAGRA, deurien doncs, ser molt instructius tant per a la física fonamental com per a l’astrofísica.

Ho he vist aquí.