Noves aportacions científiques en modelització d'ones gravitacionals

Noves aportacions científiques en modelització d'ones gravitacionals

Mapa de densitat de la col·lisió de dos estels de neutrons (en l'etapa final). Simulacions en 2-dimensions realitzada per Rubén Cabezon (de la seva tesi doctoral, dirigida per Domingo García-Senz)

Descarregar

El grup d’Astronomia i Astrofísica de la UPC ha investigat la modelització i emissió d'ones gravitacionals durant la coalescència i col·lisió d'estels compactes (com ara sistemes amb dues nanes blanques o dos estels de neutrons). El treball ha servit per aportar coneixement a aquests fenòmens astrofísics.

08/11/2017

Les ones gravitacionals predites per Albert Einstein continuen revolucionant el món de la física. Fa només dos anys de la primera detecció directa d’ones gravitacionals (GW150914, 14 de setembre de 2015), produïdes en la coalescència de dos forats negres, per part de la col·laboració LIGO. L’anunci oficial d’aquesta detecció, l’11 de febrer de 2016, va suposar un abans i un després en la història de la física, brindant una nova eina d’observació de l’univers, complementària a l’habitual finestra electromagnètica (i a d’altres, com ara els neutrins). Fins aquella data, l’existència d’ones gravitacionals només s’havia pogut inferir de manera indirecta, mitjançant mesures de precisió de la variació del període orbital en sistemes estel·lars dobles, com ara el púlsar binari PSR B1913+16. La detecció de GW150914 va ser seguida per la de tres sistemes estel·lars més, tots ells formats per forats negres. La darrera d’elles, que va ser anunciada el 27 de setembre passat, va suposar la primera detecció simultània per part dels observatoris LIGO i VIRGO.

Aquestes descobertes han tornat a l’actualitat recentment, arran de la concessió del Premi Nobel de Física 2017 a Riner Weiss, Barry C. Barish i Kip S. Thorne (el darrer, investit el mes de maig doctor honoris causa per la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC). Els tres científics han rebut el Nobel per les seves decisives contribucions al desenvolupament del detector LIGO i a la detecció d’ones gravitacionals. A més, el 17 d’agost passat s’anunciava una nova font emissora d’ones gravitatòries, GW170817, detectada pels observatoris LIGO i VIRGO. Segons Jordi José, investigador del grup d’Astronomia i Astrofísica de la UPC, “constitueix la primera detecció de la coalescència de dos estels de neutrons. I la primera en ser detectada mitjançant ones gravitatòries i radiació electromagnètica en múltiples bandes, inaugurant l’anomenada astronomia multi-missatger”.

Es tracta −afirma l’investigador− d’ones gravitacionals procedents d’un sistema estel·lar doble, situat a 130 milions d’anys llum. Uns segons després de la detecció, una erupció de raigs gamma –un gamma-ray burst de curta durada– era localitzada pel telescopi espacial FERMI (i més tard, per INTEGRAL), a prop de la zona d’emissió de les ones gravitacionals. “Aquestes deteccions van permetre acotar la posició i distància a la font emissora amb relativa precisió i escometre la seva possible detecció òptica”, explica Jordi José. “Així, 10 hores i 52 minuts després, s’identificava la contrapartida òptica de l’esdeveniment des de l’hemisferi sud, a un punt de la galàxia NGC4993, a la constel·lació Hidra femella”. L’observació en òptic va ser seguida per diverses deteccions en altres bandes (infraroig, 11 hr 36 min; ultraviolat, 15 hr; ones ràdio, 16 dies). En total, uns 70 observatoris han observat el fenomen en diferents bandes de l’espectre electromagnètic, d’ones ràdio a raigs gamma.

Què aporta aquesta descoberta en termes científics? Segons apunta l’investigador Jordi José, “en primer lloc, la primera detecció d’una coalescència d’estels de neutrons, en forma de kilonova (explosió unes mil vegades més energètica que una nova clàssica); a més, suposa la possible confirmació d’aquest escenari com a responsable dels gamma-ray bursts de curta durada”. José afirma que l’observació simultània d’ones gravitacionals i radiació electromagnètica han permès també verificar que les primeres es desplacen a la velocitat de la llum. Alhora, aquest investigador explica que proporcionen una nova eina per aprofundir en l’estructura i propietats dels estels de neutrons, així com per a l’estudi del ritme d’expansió de l’univers.

On es forgen elements com l’or i el platí 

Amb aquestes descobertes, “potser, finalment, hem trobat els forns nuclears còsmics on es forgen elements com l’or i el platí”, diu l’investigador. “Estudis fotomètrics de les corbes de llum (evolució de l’energia emesa en funció del temps) en l’infraroig i l’ultraviolat, combinats amb la corresponent anàlisi espectral, han permès inferir la presència de lantànids (elements químics compresos entre el lantani i l’iterbi) en el material expulsat durant la kilonova, particularment en una capa d’unes 0.04 masses solars, amb una concentració de lantànids de l’ordre de l’1% en massa (segons s’ha publicat en revistes científiques de referència)”. Aquests resultats suposen, doncs, “la primera evidència experimental de l’anomenat procés-r (de l’anglès, rapid neutron captures) en la coalescència de dos estels de neutrons, confirmant un dels possibles escenaris proposats per al seu origen”.

De fet, segons conclou Jordi José, “la quantitat d’elements r inferida en GW170817, juntament amb el ritme de coalescències d’estels de neutrons predit per la teoria, suggereixen que aquests fenòmens astrofísics podrien ser les principals factories còsmiques de la síntesis d’elements r, aportant llum a una de les 11 qüestions fonamentals de la física, segons la relació publicada l’any  2000 pel National Research Council's board on Physics and Astronomy dels Estats Units: com es van formar els elements químics, del ferro a l’urani”.

Els treballs realitzat pel grup d’Astronomia i Astrofísica de la UPC ha permès conèixer millor les escales de temps d’aquests cataclismes còsmics, caracteritzar l'emissió d'ones gravitacionals durant el procés, així com la producció d'elements químics durant la coalescència. Aquesta recerca ha donat lloc també a diverses tesis doctorals realitzades a la UPC, dirigides per investigadors d’aquest mateix grup de recerca

Notícies relacionades:
Noves aportacions científiques en modelització d'ones gravitacionals

Mapa de densitat de la col·lisió de dos estels de neutrons (inici del procés)

Descarregar
Noves aportacions científiques en modelització d'ones gravitacionals

Mapa de densitat de la col·lisió de dos estels de neutrons (continuació)

Descarregar
Noves aportacions científiques en modelització d'ones gravitacionals

Mapa de densitat de la col·lisió de dos estels de neutrons (inici de l'explosió)

Descarregar