A la recerca de fusions d’estrelles de neutrons

Dossier La ciència del 2023 Desplega

Ciberseguretat

L'anell quàntic de Collserola

Recerca mèdica

Càncer, diabetis i Alzheimer: avenços mèdics que esperem el 2023

Astronomia

A la recerca de fusions d’estrelles de neutrons

Exploració espacial

Com el telescopi James Webb ajudarà a avançar l'estudi de planetes que podrien ser habitables

Prehistòria

Noves eines per estudiar l’origen de l’espècie humana

El 1915, Einstein plantejava una teoria que ha revolucionat la nostra comprensió d'una de les forces de la naturalesa: la gravetat. Dues de les seves conseqüències més destacades, els forats negres i les ones gravitatòries, van fer la seva aparició amb certa controvèrsia. D'una banda, pocs mesos després de presentar-se la teoria, el físic alemany Karl Schwarzschild trobava una solució que semblava un joc matemàtic amb propietats ben estranyes. Avui dia, però, aquell joc és la millor opció que tenim per descriure els forats negres sense rotació, mentre esperem que la unificació de la relativitat general i la física quàntica pugui revelar els secrets de les seves regions més centrals.

D'altra banda, l'espai-temps, que podríem suposar rígid i estàtic, és tot el contrari: flexible, dinàmic i capaç de patir unes deformacions que es propaguen en forma d'ona. És el mateix espai-temps en què totes les partícules i objectes estem immersos qui vibra. L'amplitud d'aquestes ones gravitatòries, però, és tan extremament petita que Einstein no confiava que es poguessin detectar mai. Molta paciència —i molta feina— li han tret la raó.

Un èxit col·lectiu

Després d'un segle de desenvolupaments tecnològics, teòrics i computacionals, i el treball conjunt de milers de persones a tot el món, el setembre del 2015 arribava la primera detecció directa d'ones gravitatòries, generades per dos forats negres d'unes 29 i 36 masses solars a més de mil milions d'anys llum. Els dos objectes giraven l’un al voltant de l'altre fins que es van fusionar en un altre forat negre d'unes 62 masses solars. Va ser una meravellosa recompensa a dècades d’esforços.

El primer període d'observació (O1) va anar des del setembre del 2015 fins al gener del 2016, va comptar amb els dos detectors LIGO als EUA i va registrar un total de 3 senyals, tots generats per fusions de dos forats negres. El segon període (O2), del novembre del 2016 a l'agost del 2017, amb el detector Virgo a Itàlia formant part de la xarxa d'interferòmetres durant un increïble darrer mes, ens va regalar 7 deteccions de fusions de dos forats negres i el primer senyal de la fusió de dues estrelles de neutrons.

En el tercer període (O3), de l'abril del 2019 al març del 2020, amb els detectors LIGO-Virgo, la xifra de senyals totals (juntament amb els dels períodes anteriors) va arribar a 90, incloent-hi fusions mixtes de forat negre i estrella de neutrons. Diversos d’aquests senyals són clau en camps com l'evolució estel·lar, la formació de forats negres de massa intermèdia (entre unes 100 i diverses centenes de masses solars) i la cosmologia.

La millora dels detectors

Ara mateix s’estan actualitzant els detectors LIGO-Virgo amb làsers més potents, miralls més grans i pesants, i millors tècniques de compressió de la llum. A més, el detector japonès KAGRA s'ha unit a la xarxa global. La previsió és que el quart període (O4) comenci a la primavera del 2023. En aquest període s’espera que es puguin detectar senyals de fusions d’estrelles de neutrons que succeeixin, pràcticament, al doble de distància dels que s’han pogut detectar fins ara. Com que el doble de distància significa un volum 8 vegades més gran, això vol dir que podem trobar 8 vegades més senyals potencials en els detectors.

Estem parlant d'un enorme èxit coordinat. Disposar de 3 detectors amb sensibilitat millorada fa que, a més de detectar un senyal, puguem indicar al cel la localització de la font que l'ha originat (igual que 3 antenes que reben el senyal d'un mòbil en localitzen la posició) i enviar alertes a la comunitat astronòmica… i a la societat en general. La primera fusió de dues estrelles de neutrons detectada amb ones gravitatòries l'agost del 2017 va succeir relativament a prop i, al cap de poques hores, vam poder donar una regió precisa per a la seva localització. El nou punt brillant al cel es va observar també amb llum de tot l’espectre electromagnètic.

Noves deteccions

Durant el pròxim període d’observació esperem detectar algun senyal procedent d'una fusió d'estrelles de neutrons cada any, acompanyat per algun altre senyal en altres canals (llum o neutrins, per exemple). Això ens permetrà disposar de més informació sobre l'expansió local de l'univers, l'estructura de les estrelles de neutrons o les propietats de la matèria a densitats elevadíssimes.

A més, amb aquests nous resultats entendrem millor les propietats dels forats negres individuals i de la població de forats negres a l'Univers de manera global, així com dels entorns on es produeixen fusions d'aquests objectes. Aquestes deteccions també inclouran més forats negres de massa intermèdia, claus per entendre la formació dels forats negres supermassius (de més d'un milió de masses solars).

Les cerques de senyals continus d'ones gravitatòries, cada cop més sofisticades, juntament amb la millora de la sensibilitat, podrien desenterrar senyals procedents d'estrelles de neutrons o altres objectes compactes i exòtics aïllats. Fins i tot, amb força sort, una explosió de supernova a la nostra galàxia podria deixar una empremta als nostres detectors. L'astronomia d'ones gravitatòries ja és una realitat i el 2023 es presenta realment emocionant.