O IGFAE, clave na detección da fusión de buracos negros máis grande xamais observada, no límite da relatividade de Einstein

O 23 de novembro de 2023, despois de millóns de anos de viaxe a través do universo, unha sinal en forma de ondas gravitacionais chegou á Terra. Foi detectada ao mesmo tempo polos observatorios de Hanford e Livingston, separados por máis de 3.000 quilómetros nos Estados Unidos. Pero esta sinal, bautizada como GW231123, non era unha máis: foi causada pola colisión de buracos negros máis brutal que a humanidade puido observar ata o de agora.

Este luns, despois de case dous anos de análise, a colaboración LIGO —na que participa o Instituto Galego de Física de Altas Enerxías (IGFAE)— xunto coas colaboracións Virgo e KAGRA, anunciou o achado deste fenómeno cósmico “de récord”. O resultado desta fusión de dous buracos negros, duns 100 e 140 veces a masa do noso Sol, é un obxecto de 240 masas solares. As características deste evento sitúano preto dos límites do permitido pola teoría da relatividade xeral de Einstein.

“Esta é a fusión de buracos negros máis masiva que temos detectado mediante ondas gravitacionais, e a súa interpretación supón á vez unha gran pista e un gran desafío para o noso entendemento dos procesos de formación de buracos negros”, afirma Juan Calderón Bustillo, investigador Ramón y Cajal no IGFAE, centro mixto da Universidade de Santiago de Compostela e a Xunta de Galicia.

Ata agora, observáranse aproximadamente 100 fusións de buracos negros mediante ondas gravitacionais. A maior fora a coñecida como fonte GW190521 —descuberta en 2019—, cunha masa total moito menor: "só" 140 veces a do Sol, cuxo análise coordinou Calderón Bustillo. “Agora batemos o noso récord, case dobrando a masa!”, destaca.

Unha técnica do IGFAE para estudar xeracións de buracos negros

Ademais da súa enorme masa, estes dous buracos negros xiran sobre si mesmos a gran velocidade. Estes dous aspectos converten esta sinal nun desafío único para a súa interpretación e suxiren unha historia de formación complexa. “En principio, estes buracos negros non deberían poder formarse mediante o colapso de estrelas ao final das súas vidas. Polo tanto, é posible que estes dous buracos negros procedan de sucesivas fusións previas de buracos negros máis pequenos”, apunta Juan Calderón Bustillo. Aquí reside unha das principais contribucións do IGFAE a este descubrimento, a través de técnicas desenvolvidas polo equipo do Instituto, e que se utilizaron en estudos recentes para entender a orixe destes eventos.

“Con estas técnicas puidemos reconstruír a xenealoxía destes buracos negros. Vimos que é moi probable que o maior deles sexa un buraco negro de ‘terceira’ xeración. É dicir, no mellor dos casos serían os seus ‘avós’ os que se puideron formar mediante colapso estelar.”

Ao límite da relatividade xeral e dos sistemas de detección

A gran masa e a rápida rotación dos buracos negros na sinal GW231123 levan ao límite tanto os algoritmos que se usan para a detección de ondas gravitacionais como os modelos teóricos que permiten a súa interpretación. Detectar sistemas tan masivos require técnicas complexas, cuxo desenvolvemento foi liderado polo IGFAE durante o último lustro.

“As sinais de sistemas como GW231123 son extremadamente curtas, facilmente confundibles con sinais artificiais que contaminan continuamente os nosos detectores”, explica Thomas Dent, investigador distinguido no IGFAE desde 2018 e fundador do programa de investigación en ondas gravitacionais.

“Unha das nosas principais liñas de traballo é o desenvolvemento de técnicas complexas que permiten descartar sinais artificiais. Isto permítenos optimizar a sensibilidade dos nosos sistemas de detección”, afirma Dent. “De feito, o sistema PyCBC, que desenvolvemos aquí, foi o que proporcionou o que chamamos a ‘alerta rápida’ de que detectáramos algo”. Finalmente, extraer información precisa da sinal requiriu o uso de modelos teóricos que recollesen a complexa dinámica de buracos negros con gran rotación.

No futuro, o equipo do IGFAE continuará refinando as súas análises e mellorando os modelos utilizados para interpretar este tipo de eventos extremos. “Levará anos coñecer a verdadeira natureza deste tipo de fontes”, avanzan Juan Calderón Bustillo e Thomas Dent.

“Sábese que este tipo de sinais adoita ofrecer varias posibles interpretacións. Aínda que a máis probable parece ser a fusión de dous buracos negros nunha órbita circular que ‘oscila’, estudos futuros poderían revelar que en realidade se trata dunha órbita excéntrica ou – como xa se ten proposto no pasado – quizais esteamos vendo algo máis, alén dos buracos negros”, engaden ambos.

Conclúe Thomas Dent que, “ademais dos desenvolvementos teóricos necesarios, a acumulación de máis observacións deste estilo permitirán investigar con moito máis detalle como chegan a formarse estes buracos negros e o como funcionan as estrelas que nalgún momento morreron para darlles vida a eles, ou aos seus devanceiros”.

As ondas gravitacionais e o papel do IGFAE en LIGO

As ondas gravitacionais son ondulacións no tecido espazo-temporal que viaxan á velocidade da luz, e que se producen como consecuencia dos eventos máis violentos do Universo, como as fusións de buracos negros ou as explosións de estrelas (supernovas). Foron postuladas teoricamente por Albert Einstein hai máis de 100 anos, pero non se puideron observar directamente ata o ano 2015, cando o logrou a colaboración LIGO.

Este achado supuxo un dos grandes fitos da física das últimas décadas. Tres dos principais artífices deste descubrimento (Kip Thorne, Barry C. Barish e Rainer Weiss), recibiron o Premio Nobel de Física en 2017, entre outros moitos recoñecementos.

Despois da acreditación como Unidade de Excelencia María de Maeztu, en 2017, identificouse o gran potencial da liña de investigación de ondas gravitacionais. A aposta por esta disciplina fixo posible que o IGFAE se incorporase en outubro de 2018 a LIGO, onde ocupa posicións de relevancia dentro deste experimento, no que participan máis de 1.500 persoas de todo o mundo.