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La red internacional de detectores de ondas gravitacionales LIGO en Estados Unidos, Virgo en Italia y KAGRA en Japón (LVK) anunció la publicación de un catálogo actualizado de todos los eventos gravitacionales observados hasta la fecha, llamado Catálogo de Transitorios de Ondas Gravitacionales-4.0 (GWTC-4).
Las nuevas observaciones nos permiten comprender mejor la formación de agujeros negros, indagar la evolución cosmológica del universo y proporcionar confirmaciones cada vez más rigurosas de la teoría de la relatividad general.
Los resultados son fruto de análisis en profundidad realizados durante más de dos años por científicos de la Colaboración LVK sobre las nuevas señales observadas, con el objetivo de confirmar su validez y estudiar sus implicaciones astrofísicas y cosmológicas más importantes.
Aunque algunas de estas ya se han anunciado en los últimos meses, la publicación del nuevo catálogo ofrece una perspectiva única sobre la totalidad y alcance de todas las señales observadas por la Colaboración LVK desde mayo de 2023 hasta enero de 2024 (durante el ciclo de observación llamado O4a) y muestra cómo el Universo resuena en un verdadero caleidoscopio de colisiones cósmicas.
El catálogo, con una serie de artículos publicados en Astrophysical Journal Letters, recopila 128 nuevos eventos, más que duplicando el número de eventos del catálogo anterior, que contenía las 90 señales detectadas durante las tres campañas de observación anteriores.
Los datos, que ahora han sido puestos a disposición para su análisis adicional por parte de grupos de investigación externos a la colaboración LVK, revelan una variedad aún mayor de pares binarios que producen ondas gravitacionales de lo que se conocía hasta ahora: estos incluyen el binario de agujero negro más masivo jamás detectado con ondas gravitacionales, un binario de agujero negro con la mayor asimetría de masa jamás observada, y uno en el que ambos agujeros negros tienen espíns excepcionalmente altos, así como dos binarios de agujeros negros y estrellas de neutrones.
"En la última década, la astronomía de ondas gravitacionales ha pasado de la primera detección a la observación de cientos de fusiones de agujeros negros", dice Stephen Fairhurst, profesor en la Universidad de Cardiff y portavoz de la Colaboración Científica de LIGO. "Estas observaciones nos permiten comprender mejor cómo se forman los agujeros negros a partir del colapso de estrellas masivas, indagar la evolución cosmológica del universo y proporcionar confirmaciones cada vez más rigurosas de la teoría de la relatividad general."
"La publicación del catálogo GWTC-4 representa un salto definitivo hacia adelante, añadiendo 128 nuevas señales a nuestro récord en menos de un año de observación." dijo Gianluca Gemme, investigador del Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) y portavoz de Virgo, "Esta riqueza de datos revela un verdadero caleidoscopio de colisiones cósmicas: desde los agujeros negros binarios más pesados jamás detectados, como GW231123, a parejas girando a casi la mitad de la velocidad de la luz. Ya no son solo anomalías raras; proporcionan la base estadística que necesitamos para probar la Relatividad General de Einstein con una precisión sin precedentes y para proporcionar una nueva medida independiente de la rapidez con la que se expande nuestro Universo. Para Virgo y la red LVK, estos resultados demuestran que ahora estamos mapeando la compleja evolución del cosmos con más claridad que nunca".
Entre las señales más inusuales detectadas en la primera fase de la campaña de observación de O4 está GW231123 (el nombre hace referencia al día en que se observó la señal, según la convención estadounidense): esta señal fue generada por el sistema de agujeros negros binarios más pesado jamás detectado hasta la fecha, cada uno con una masa aproximadamente 130 veces la del Sol.
La mayoría de los agujeros negros en los sistemas binarios detectados tienen una masa de unas 30 masas solares. Los agujeros negros mucho más pesados que generaron GW231123 sugieren que cada uno de ellos podría ser el resultado de una colisión previa entre agujeros negros ´progenitores´ más ligeros, probablemente en entornos cósmicos extremadamente densos y caóticos.
Otro caso de extraordinario interés es el de GW231028, generado por un par de agujeros negros con el spin más alto jamás observado: ambos agujeros negros giran muy rápido, a aproximadamente el 40% de la velocidad de la luz. De nuevo, los científicos sospechan que estos agujeros negros pueden ser producto de colisiones previas, de las que obtuvieron su enorme energía rotacional. Entre los eventos de la colección también hay GW231118, generado por un par inusualmente desequilibrado, con un agujero negro el doble de masivo que el otro
Gracias a las últimas detecciones de ondas gravitacionales y al importante crecimiento de los datos sobre fusiones de agujeros negros, los científicos también han comenzado a estudiar las propiedades de los agujeros negros en términos de poblaciones.
"Cuando detectamos señales inesperadas como GW231123 y GW231028, nos enfrentamos tanto a un desafío como a una oportunidad emocionante. Estos descubrimientos nos recuerdan que el Universo aún puede sorprendernos. Para comprenderlo realmente, nuestros modelos científicos deben ser capaces de explicar —e incluso anticipar— la gama completa de señales que crea la naturaleza." dijo Filippo Santoliquido, investigador del Instituto de Ciencias GranSasso.
Los nuevos datos también permiten a los equipos de investigación refinar pruebas y mediciones previamente realizadas con un conjunto de datos más reducido, continuando explorando e investigando algunos de los grandes Cuestiones sin resolver en la física contemporánea.
Los nuevos hallazgos permiten, por ejemplo, una prueba más profunda y precisa de la teoría de la relatividad general de Einstein: la teoría que revolucionó nuestra visión del universo hace un siglo, describiendo la gravedad como una propiedad geométrica del espacio y el tiempo.
Desde entonces, la teoría de Einstein ha sido respaldada por numerosas pruebas y observaciones experimentales, demostrando ser la mejor descripción teórica de la gravedad que tenemos. Sin embargo, el hecho de que las colisiones de agujeros negros sacudan el espacio y el tiempo más intensamente que casi cualquier otro fenómeno concebible también los convierte en candidatos ideales para poner a prueba la teoría en sí.
"Al probar nuestras teorías físicas, es bueno considerar las situaciones más extremas posibles, porque es donde nuestras teorías tienen más probabilidades de fallar y donde tenemos más posibilidades de hacer descubrimientos", añade Aaron Zimmerman, profesor asociado de física en la Universidad de Texas en Austin.
Los investigadores probaron la teoría de Einstein usando GW230814, una de las señales de ondas gravitacionales más ´fuertes´ de este último Catálogo. La sorprendente claridad de la señal permitió examinarla en detalle para ver si algún aspecto se desviaba de la teoría de Einstein. Sin embargo, hasta ahora, la teoría está superando todas las pruebas.
"Estoy entusiasmado por ver cómo el creciente número y la mejora de la calidad de las detecciones de ondas gravitacionales están permitiendo pruebas cada vez más sensibles de la relatividad general en el régimen dinámico y de campos fuertes de la gravedad", dijo Soumen Roy, investigador en UCLouvain, Centro de Cosmología, Física de Partículas y Fenomenología (CP3) en Bélgica: "Con futuras observaciones que cubren una gama más amplia de masas de agujeros negros, espíns y excentricidades orbitales, podremos imponer restricciones más fuertes a teorías alternativas de la gravedad o potencialmente descubrir firmas de nueva física".
Otro gran misterio en la cosmología concierne a la velocidad a la que nuestro universo se está expandiendo hoy en día. Para responder a esta pregunta, es crucial estimar la constante de Hubble, que indica la velocidad de expansión del universo hoy en día. Existen varias estimaciones de esta constante que, utilizando diferentes métodos y distintas fuentes astrofísicas, han proporcionado respuestas contradictorias.
Las ondas gravitacionales ofrecen una forma adicional de medir la constante de Hubble, ya que estudiando la señal es posible calcular, de forma relativamente sencilla, la distancia recorrida desde su origen.
"Hay un entusiasmo creciente en torno a la cosmología de las ondas gravitacionales", dijo Ulyana Dupletsa, investigadora del Instituto Marietta Blau (Academia Austríaca de Ciencias). "Además de ser un enfoque nuevo e independiente, resulta muy atractivo porque evita la compleja calibración requerida por los métodos establecidos. Aunque aún no tenemos suficientes observaciones para igualar la precisión de las mediciones tradicionales, cada nueva detección de ondas gravitacionales nos acerca un paso más a arrojar luz sobre la rapidez con la que se está expandiendo nuestro universo."
Al analizar todas las detecciones de ondas gravitacionales en todo el catálogo LVK, los científicos han desarrollado una nueva estimación independiente de la constante de Hubble, que sugiere que el universo se está expandiendo a una velocidad de 76 kilómetros por segundo por megaparsec, lo que significa que una galaxia a un megaparsec de la Tierra se alejaría de nosotros a una velocidad de 76 km/s.
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