¿Cómo sabemos que GW150914 fue real? Vetando una señal gravitacional de origen astrofísico

El 14 de septiembre del 2015, las ondas gravitacionales producidas por la fusión de dos agujeros negros, a una distancia aproximada de 1.3 mil millones de años luz, alcanzaron la Tierra. Los detectores LIGO Avanzado (siglas en inglés: observatorio de ondas gravitacionales por interferometría láser) observaron las minúsculas fluctuaciones que estrechan y encogen el espacio-tiempo debido a estas ondas gravitacionales. Para lograr esta medida sin precedentes, primero tuvimos que verificar que la señal que medimos no había sido originada por una fuente no astrofísica. Garantizar que la información que analizábamos era de alta calidad y libre de contaminación no astrofísica era esencial para completar esta detección.

¿Cómo funciona un interferómetro LIGO?

Los detectores LIGO avanzado son interferómetros en forma de L con "brazos" perpendiculares de 4 km de longitud. El haz de una fuente de luz láser es dividido en dos haces mediante un componente óptico de 50% de reflectividad llamado divisor de haz. Después, cada haz, circula a través de cada uno de los dos "brazos" de 4 km de longitud del instrumento. Al final de los brazos espejos reflejan los haces de vuelta por el mismo camino, y son combinados otra vez en el divisor de haz. La superposición o interferencia de ambos haces de luz es indicativo de lo bien alineados que están, o de la distancia adicional que uno de los haces ha viajado más que el otro. Este patrón de interferencia, o figura formada por la suma de dos o más ondas electromagnéticas (haces de luz), es medido por un sensor de luz. Si una onda gravitacional de amplitud elevada atraviesa el interferómetro, su estrechamiento y encogimiento cambiará la longitud relativa de ambos brazos de tal forma que el sensor de luz observará una señal en el patrón de interferencia.

Los detectores LIGO Avanzado

Existen dos detectores en los Estados Unidos: uno en Hanford, Washington y otro en Livingston, Louisiana. Ambos detectores están equipados con idéntica instrumentación, siendo casi gemelos. Recientemente fueron actualizados con tecnología de vanguardia, siendo ahora capaces de detectar cambios de longitud inferiores a 10-19 metros, entre los dos brazos de 4 km de longitud. Estas dimensiones son inferiores a una milésima parte del tamaño de un protón. Lo que es equivalente a poder medir la distancia entre la Tierra y la estrella más cercana (Próxima Centauri) con la precisión del grosor de un cabello humano.

Fuentes potenciales de ruido

Como se pueden imaginar, el ser capaces de medir cambios de distancia tan minúsculos implica que los detectores LIGO son también muy sensibles a otras perturbaciones, a las que nos referimos de forma colectiva como "ruido". Por ejemplo, un golpe casual a la mesa donde la fuente laser está instalada podría causar una irregularidad en la señal principal del detector. Un rayo cercano generaría una perturbación magnética que podría filtrarse en la señal del detector a través de componentes electrónicos o cables eléctricos. Un defecto de hardware también podría causar fluctuaciones que contaminasen la señal.

Distintas fuentes de ruido externo afecta a cada detectores ya que están situados en ambientes diferentes. Por ejemplo, el detector situado en Livingston sufre mucho más movimiento del suelo, a causa de olas marinas del Golfo de Méjico y del océano Atlántico. Mientras que el detector de Hanford sufre muchos más días de fuertes vientos racheados que sacuden el suelo y los edificios que alojan el detector. Las condiciones ambientales turbulentas limitan los instantes en los que los detectores graban datos de valor científico.

Una labor importante de la colaboración LIGO es identificar y reducir o eliminar cualquier ruido que contamine los datos que puedan incluir señales de ondas gravitacionales.

Supervisando el ruido en los detectores LIGO

En cada detector existen miles de sensores que supervisan el ambiente local (midiendo entre otras muchas cosas las vibraciones del suelo y el aire) y toman nota del comportamiento del detector (grabando por ejemplo la potencia óptica del haz del láser o cuánta fuerza es requerida para mantener estables los componentes ópticos). Más de 200.000 medidas auxiliares de este tipo proporcionan una cobertura completa del detector y de su ambiente.

Para ser capaces de entender cómo el ruido ambiental afecta al detector, añadimos artificialmente posibles fuentes de contaminación de señal - como por ejemplo sonidos agudos, temblores del suelo, o campos magnéticos - en localizaciones diversas a lo largo de las instalaciones de los detectores LIGO. Después medimos como estas fuentes conocidas de ruido cambian las señales medidas. Pruebas de este tipo son de gran utilidad para entender cómo y en qué cantidad los múltiples efectos ambientales pueden contaminar la señal de ondas gravitacionales. La ilustración 1 muestra un ejemplo de prueba del efecto de campos magnéticos.

Recopilación de datos

Para poder confirmar una detección de ondas gravitacionales, primero debemos almacenar y analizar suficientes datos como para ser capaces de estimar con qué frecuencia la señal medida podría ser producida por una coincidencia aleatoria con el ruido de fondo del detector. En el caso de GW150914, necesitamos el equivalente de 16 días en los que ambos detectores operaban a la vez de forma esperada. Puesto que los detectores no funcionaron continuamente en la configuración requerida, tardamos desde el 12 de septiembre del 2015 al 20 de octubre del 2015 en almacenar suficientes datos para analizar GW150914. Durante el tiempo de recopilación de estos datos, mantuvimos los detectores en una configuración similar a la que los caracterizaba en el momento de la llegada de la onda gravitacional GW150914. Sin embargo, hubo varios casos de ruido adicional causados por problemas de hardware y cambios ambientales como por ejemplo el clima. Durante todo el periodo de recopilación de datos, identificamos la parte contaminada por ruido excesivo medido por los canales auxiliares de datos de los detectores y sus ambientes, y la retiramos de nuestro análisis. Estos "vetos" afectaron el 4% de los datos grabados en el detector de Hanford y 1% de los datos de Livingston.

La ilustración 2 muestra la sensibilidad típica de los detectores LIGO durante este periodo. La zona sombreada indica la variación en sensibilidad, su estrecho rango de variación evidencia que los detectores operaban de forma estable durante el tiempo de la recopilación de datos para nuestro análisis.

¿Cómo sabemos que GW150914 es real?

En el momento de llegada de la señal, muy temprano en ambos emplazamientos, los detectores operaban normalmente y presentaban niveles bajos de ruido. Tan pronto como GW150914 fue identificado a candidato de señal de onda gravitacional, llevamos a cabo un conjunto riguroso de verificaciones e investigaciones para asegurarnos de que la ésta no fue generada por ruido de detector o del ambiente. Por ejemplo, cada uno de las 200.000 medidas auxiliares en ambos detectores fue contrastada en busca de indicaciones que relacionasen GW150914 con un efecto de ruido y en todos los casos no se observó ninguna relación. En particular, ninguno de los sensores que supervisan el ambiente local midieron señal alguna de amplitud suficiente como para producir una perturbación en el canal de medida de ondas gravitacionales comparable a GW150914.

Conclusión

En el momento de GW150914, los detectores LIGO operaban en un estado de bajo ruido, con niveles normales de ruido ambiental e instrumental. Ambos detectores operaron de forma estable durante todo el intervalo de tiempo analizado. Un análisis cuidadoso de los canales de medida auxiliares nos permitió remover periodos en los que los datos estaban contaminados por ruido instrumental o ambiental. Puesto que los datos usados en nuestro análisis eran de altísima calidad, fuimos capaces de estimar que la probabilidad de que coincidencias accidentales de ruido puedan generar un evento como GW150914, ¡es de una vez cada 203.000 años!

Investigaciones exhaustivas no mostraron evidencia alguna de que influencias ambientales o ruido instrumental en cualquiera de los detectores pudiera haber causado GW150914. Un estudio detallado de influencias ambientales descarto de forma conclusiva todo tipo de fuentes de señal medida en ambos detectores en el momento del evento, con la excepción de una señal de onda gravitacional generada por un sistema binario de agujeros negros.

Lectura adicional:

Ilustraciones del artículo científico:

Ejemplo de prueba de inyección de campo magnético llevada a cabo en el detector LIGO-Hanford

Ilustración 1: Ejemplo de prueba de inyección de campo magnético llevada a cabo en el detector LIGO-Hanford. La gráfica superior muestra la señal de medida de un magnetómetro, dispositivo que mide la intensidad de un campo magnético. En azul mostramos la intensidad del campo magnético medido durante un periodo tranquilo, con fluctuaciones típicas del campo magnético en las cercanías del detector. En rojo, el mismo magnetómetro muestra los picos adicionales causados por un campo magnético oscilante generado artificialmente en las cercanías. La grafica en la región central muestra la señal de medida del detector usada para medir ondas gravitacionales. Ambas curvas muestran la señal del detector durante los mismos intervalos de tiempo de la gráfica superior: en azul durante un periodo tranquilo y en rojo durante el tiempo de prueba de inyección de campo magnético artificial. Los puntos en verde, en la gráfica central, muestran una estimación de la contribución de ruido magnético, típico durante periodos tranquilos, al ruido general de fondo durante el tiempo de toma de datos.

Las curvas en rojo y azul muestran los niveles típicos (mediana) de las fluctuaciones de fondo en los detectores 
LIGO-Hanford y LIGO-Livingston respectivamente

Ilustración 2: Las curvas en rojo y azul muestran los niveles típicos (mediana) de las fluctuaciones de fondo en los detectores LIGO-Hanford y LIGO-Livingston respectivamente, en función de la frecuencia, durante el periodo analizado entre el 12 de septiembre - 20 de octubre del 2015. La región sombreada muestra el rango de variación durante ese periodo (percentiles del 5° al 95°).