Tercer esdeveniment de col·lisió de forats negres detectat per LIGO

L'observatori de detecció d’ones gravitacionals LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) va anunciar fa uns mesos que havia detectat el tercer esdeveniment de col·lisió de forats negres.

  

Les ones gravitacionals (OG) es desprenen de manera natural de la Relativitat General (RG). De la mateixa manera que una càrrega elèctrica accelerada emet ones electromagnètiques, una massa accelerada produeix ones gravitacionals. Però les ones gravitacionals no són ones que es transmeten dins de l'espai, com els passa a les electromagnètiques, sinó que són distorsions del propi espai en propagació.

Les ones gravitacionals són molt febles. Tan febles que es necessiten fenòmens cataclísmics relativament propers per poder detectar-les directament al límit de la tecnologia actual.

  

El mètode emprat per a la seva detecció és un sistema interferomètric. Un feix làser recorre diverses vegades els dos braços en forma de L d'un interferòmetre fins que se’l fa interferir amb si mateix. Si un front d'ones gravitacionals passa pel dispositiu s'allarga i contreu els braços de tal manera que, encara que sigui en una distància minúscula, el seu efecte acumulat fa canviar el patró d'interferència. Hi ha dues instal·lacions d'aquest tipus als EUA, una a Louisiana i una altra a l'estat de Washington. Aquests detectors veuen un canvi en la longitud dels seus braços de fins a una deumil·lèsima part del diàmetre d'un protó.

El sistema europeu equivalent, l'Advance Virgo que es troba a Itàlia, no va poder registrar aquest nou esdeveniment perquè el front d'ones va creuar la Terra el passat 4 de gener (pel que se l’ha denominat GW170104) i en aquell moment no estava actualitzat ni estava operatiu. Per tant, no es pot determinar amb exactitud el punt del cel d'on provenia. S'estima, això sí, que el xoc dels forats negres, de 19 i 32 masses solars, es va donar fa uns 3000 milions d'anys, de manera que es va donar a 3000 milions d'anys llum de distància de nosaltres, més o menys (l'univers ha estat expandint-se en aquest temps). En aquesta època només hi havia microbis procariotes a la Terra i els continents començaven a formar-se.

El resultat d'aquest xoc va produir un únic forat negre d'unes 49 masses solars. La diferència de massa va ser emesa en forma d'energia en l'emissió d’OG. Va ser precisament l'emissió d’OG que es va produir just durant la col·lisió el que s'ha aconseguit detectar, com en les dues vegades anteriors. El senyal rebut, com en les ocasions anteriors, estava composta per dues parts, una amb un augment progressiu en freqüència i amplitud que es va generar immediatament abans de la col·lisió, i una altra a causa de l’objecte que va resultar de la col·lisió mentre adquiria una simetria esfèrica. Un cop s'arriba a aquesta simetria es deixen d'emetre OG detectables.

Podria semblar que es tracta d'un cas més, però no és així per diversos motius. Les estadístiques d'un cas diuen més aviat poc, però una estadística de tres casos ja pot començar a dir-nos alguna cosa més de l'Univers en el qual vivim. Entre altres coses, aquest augment d'estadística ens diu que la detecció d'aquest tipus d'esdeveniments a través d'aquesta nova finestra observacional està essent progressivament rutinària, per la qual cosa aviat tindrem informació molt valuosa.

Aquest tercer esdeveniment és més llunyà que els dos anteriors i ha permès negar, fins a cert punt, el cas de l’arc de Sant Martí gravitatori. Segons la RG les ones gravitacionals sempre es mouen a la velocitat de la llum independent de la seva longitud d'ona. Però hi ha propostes que sostenen que podria haver-hi una dispersió en aquest sentit. Si fos així, en 3000 milions d'anys llum de distància les diferents freqüències del front d'ones hauria arribat a temps diferents, però no ha estat així. Potser aquesta dispersió sigui molt petita, però l'efecte hauria de ser menor que l'error en les mesures per a un esdeveniment a aquesta distància. Per tant, Einstein torna a tenir raó. Aquest aspecte també limita la possible massa del suposat gravitó que porti el camp gravitatori. Aquesta ha de ser zero amb cert marge d'error.

Un altre aspecte interessant és que abans que LIGO entrés en servei es creia que hi havia només dos tipus de forats negres en funció de la seva massa: els forats negres supermassius dels centres galàctics i els forats negres estel·lars de fins a 20 masses solars. La detecció d'aquests esdeveniments ens diu que hi ha bastants forats negres amb una massa superior a les 20 masses solars, cosa que no té una bona explicació segons l'astrofísica estàndard.

Podria passar que es tractés, des del punt convencional, que dues grans estrelles de baixa metal·licitat (compostes gairebé exclusivament per hidrogen i heli) que orbitaran molt a prop una de l'altra al voltant del seu centre de masses. Això permetria l'intercanvi de gasos entre elles i s'anirien acostant cada vegada més. A l'estadi final, es produiria un alineament entre les rotacions dels cossos i, finalment, es produiria aquesta col·lisió un cop convertides fa temps en forats negres.

Però el que s'ha mesurat de GW170104 no encaixa amb aquesta idea, ja que les seves rotacions estaven disposades una mica a l'atzar en funció de les òrbites. Quan l'eix de gir coincideix, part de l'energia associada al moment angular és emesa en forma d'ona gravitacional just abans de la formació del nou forat negre. Això és degut a què el moment angular d'un forat negre no pot excedir cert valor.

En els dos casos anteriors els girs estaven alineats o quasi, però en aquest cas, clarament no ho estaven. Aquesta orientació prèvia proporciona informació sobre com es va formar el sistema de dos forats negres. Bàsicament, els dos forats negres responsables d'aquest esdeveniment no tenien els seus eixos de gir alineats. Una possible explicació seria que els forats negres no procedissin d'un sistema binari, sinó d'estrelles independents que es van aproximar d'alguna manera. Una altra és que els forats negres es formessin per separat i després formessin un sistema binari. Una explicació més exòtica és la que proposa Juan García Bellido (Universitat Autònoma de Madrid i no a LIGO). Segons aquest investigador, ni tan sols en els cúmuls globulars es poden formar parells de forats negres desalineats a la densitat suficient i en el termini de l'edat de l'univers com per explicar les observacions.

Segons ell, la millor explicació és que es tracti de forats negres primordials que no es van originar a les estrelles, sinó en el Big Bang. Certes regions d'alta densitat després del Big Bang generarien cúmuls de forats negres. Aquests cúmuls podrien donar compte de la matèria fosca de l'Univers. Si té raó, les galàxies com la nostra comptarien amb un halo de forats negres. Encara que aquesta idea és molt controvertida, a més que no és molt acceptada en la comunitat científica, aquests forats negres haurien de produir fenòmens de lents gravitatòries que sembla que no són observats en la Naturalesa en la quantitat necessària com per explicar aquest 80% de massa perduda.

Potser aquests interrogants els pugui aclarir el propi LIGO aviat. S'estima que amb 100 casos l'estadística permeti dir coses amb seguretat. Calculen que pot haver-hi cada any de 12 a 212 (de vegades les barres d'error són així de grans) esdeveniments d'aquest tipus en un volum d'univers corresponent a un cub de 3000 milions d'anys llum de costat. Així que LIGO, Advanced Virgo i els que es construeixen a l'Índia i al Japó podran detectar molts d'aquests esdeveniments, tants com un al dia o un a la setmana. En la propera dècada, segons entrin en servei més d'aquests detectors i amb millor sensibilitat, aquest tipus d'astrofísica es tornarà rutinària i permetrà posar a proves nombroses idees i teories.

S'espera que Advanced Virgo aviat abasti la precisió que té ara LIGO, de manera que es podrà triangular per trobar la ubicació i buscar contrapartides òptiques. Al seu torn, LIGO deixarà de mesurar properament per ser actualitzat i, a finals de 2018 possiblement tingui més sensibilitat. Potser es detectin aviat les col·lisions d'estrelles de neutrons. De moment, els investigadors de LIGO van dir en un congrés recent que ja estan analitzant almenys 6 nous candidats a esdeveniments, però no van donar més detalls.

Pot ser que en el futur fins i tot es detectin casos de forats negres amb menor massa que el Sol. En aquest cas possiblement es tractaria de forats negres primordials, ja que amb aquesta massa no es poden formar en les estrelles. Mentrestant ones generades en aquestes col·lisions còsmiques contrauran l'espai que ocupen el nostre cos de forma inadvertida. Perquè aquest tipus de coses no només es donen a LIGO, sinó a tot arreu. Allà només són detectats.

Font: Neofronteras