10 Nuevos Eventos de Fusión en Datos de Ondas Gravitacionales

Un equipo independiente ha encontrado fusiones adicionales de agujeros negros en los datos de LIGO.

Imagen simulada de la fusión de un binario de agujero negro.
Crédito: SXS Lensing.

Las colaboraciones unidas de LIGO, Virgo y KAGRA (LVK) han contabilizado hasta ahora 90 eventos de ondas gravitacionales, casi todos los cuales fueron la fusión de dos agujeros negros. Del total, 44 fueron capturados durante la primera mitad de la tercera carrera de observación de los detectores, llamada O3a, que duró de Abril a Octubre de 2019.

Pero los investigadores de LVK no son los únicos que rastrean los datos. Las colaboraciones hacen que los datos sean públicos para que otros científicos los exploren, y los equipos independientes se han sumergido con sus propias técnicas de análisis.

Uno de estos equipos es un grupo internacional con sede en el Instituto de Estudios Avanzados (IAS) en Nueva Jersey, que en 2019 descubrió siete fusiones adicionales de la segunda serie de observación. Los investigadores ahora han echado un vistazo a los datos más nuevos de O3a, utilizando solo eventos vistos por ambos sitios LIGO. Este análisis arrojó 10 nuevas fusiones candidatas y también recuperó una que los colaboradores de LVK habían descartado, informó Seth Olsen (Princeton) a principios de este mes en la reunión de la American Physical Society (APS).

Pero no podemos simplemente sumar estos 11 a los 90. Lo que pasa con las ondas gravitacionales es que no podemos simplemente mirar hacia el cielo y decir: «¡Oh, las veo!» Necesitamos “anteojos” computacionales. Y qué gafas usamos importa.

Los investigadores detectan eventos de ondas gravitacionales midiendo el estiramiento y compresión infinitesimales que inducen las ondas del espacio-tiempo en instrumentos de escala de kilómetros. Estos cambios son del orden de 10−21, equivalentes a ajustar el tamaño de la órbita de la Tierra por el ancho de un átomo de hidrógeno. Las olas también esconden mucho ruido, tanto del propio equipo como del entorno, ya sea viento, tala o picoteo de pájaros.

Para desentrañar las señales, los investigadores de LVK tienen varias canalizaciones, cadenas de procesos informáticos que limpian y evalúan los datos. Algunas tuberías se basan en bancos de plantillas, amplias bibliotecas de formas de señales potenciales que los teóricos han calculado de antemano para diferentes tipos de eventos. Otras canalizaciones adoptan un enfoque más agnóstico, simplemente buscan un exceso en lugar de señales específicas.

Las elecciones realizadas en estas canalizaciones determinan qué señales emergen del fondo; en otras palabras, ajuste la prescripción y ajustará lo que ve. Por ejemplo, debido a las suposiciones sobre el rango de giros de los objetos que se fusionan, LVK favorece los giros más pequeños en sus detecciones.

Otros equipos usan sus propias canalizaciones, con sus propias suposiciones y prioridades. La canalización (o tubería) de IAS mejora la eficiencia informática, pero también hace cosas como ignorar algunos de los eventos más ruidosos para ser más sensible a los silenciosos. Su conjunto de suposiciones hace que el equipo de la IAS sea menos sensible a los eventos más probables pero más sensible a los exóticos, explicó Olsen durante una conferencia de prensa.

Gracias a estas opciones, la canalización de IAS «perdió» seis eventos de O3a pero ganó 11. Sin embargo, estadísticamente hablando, es probable que tres de las nuevas detecciones sean casualidades.

Imagen fija de una simulación de fusión de dos agujeros negros de masas muy diferentes que se tambalean entre sí en su órbita en espiral. Los colores más rojos representan ondas más fuertes. Esta simulación coincide con las características de GW190412, que detectaron las tuberías LVK e IAS.

Crédito: N. Fischer, H. Pfeiffer, A. Buonanno (Instituto Max Planck de Física Gravitacional), Simulating eXtreme Spacetimes (SXS).

Gusto por lo Exótico

Antes de los descubrimientos de ondas gravitacionales, los astrónomos esperaban que los agujeros negros tuvieran masas de entre 5 y 50 soles. El límite inferior es misterioso, basado en el hecho de que no hemos encontrado muchos de estos agujeros negros más pequeños; no tiene fundamentos teóricos. El límite superior se debe a la física estelar: las estrellas lo suficientemente masivas como para formar un agujero negro de entre 50 y 120 masas solares no lo harán; en cambio, explotarán en pedazos.  (Probablemente, vamos.)

Las detecciones de LVK han incluido algunos objetos fuera de estos límites, y los candidatos de IAS agregan varios más. Estos incluyen GW190711_030756, la fusión de un agujero negro de aproximadamente 80 masas solares con uno de 18 masas solares, y GW190704_104834, en el que un agujero negro de 7 masas solares se fusionó con un objeto de 3,2 masas solares (probablemente un agujero agujero). 

Los pocos objetos de baja masa no resuelven el misterio de las masas bajas: es más fácil crear estrellas menos masivas, por lo que debería haber más agujeros negros pequeños que grandes, y no los hay. Quizás las estrellas exploten de una manera que, naturalmente, produzca restos de al menos 5 masas solares. Por el contrario, los agujeros negros fornidos son potencialmente subproductos de una generación anterior de fusiones, o podrían indicar que las reacciones de fusión dentro de las estrellas no son tan eficientes como pensamos.

La canalización IAS también detectó un evento candidato que involucraba un gran agujero negro girando casi sobre su cabeza alrededor de su compañero: GW190910_012619, la fusión de un agujero negro de 34 masas solares con un objeto de 2,9 masas solares. “Sería muy poco probable que eso viniera de dos agujeros negros que estuvieron juntos durante toda su vida”, dice Olsen. Aunque hemos visto signos de giros desalineados antes, este es dramático. No deja dudas de que los dos agujeros negros se emparejaron tarde en la vida. “Todo el mundo dirá: ‘Sí, es probable que sea una captura o algún sistema múltiple loco que haya causado esto’”. Sin embargo, cabe destacar que este evento tiene una de las probabilidades más bajas de ser una señal astrofísica real.

Eventos exóticos como estos son clave para desentrañar cómo se forman los agujeros negros binarios, así como qué tan grande o pequeño puede ser un agujero negro.

Determinar las masas de dos agujeros negros que se fusionan y cómo giran uno alrededor del otro no es sencillo: la información está entrelazada en los datos, por lo que cada evento involucra un rango de posibles masas y giros, con cambios en un parámetro que afectan los valores de los demás. (Los contornos sombreados indican una probabilidad del 50 % y el 90 %). Sin embargo, para todas las masas consideradas (m1 y m2), el evento GW190910 claramente tenía un agujero negro girando casi sobre su cabeza (valores negativos de chi efectivo). 
Eso es cierto independientemente de si usa los supuestos de IAS (azul) o los de LVK (naranja).

Crédito: Olsen / Princeton

La colaboración de LVK realiza un seguimiento de los eventos encontrados por equipos independientes y compara los análisis con los suyos. “Estamos encantados de que la gente mire los datos desde nuevas perspectivas y con nuevas herramientas”, dice Patrick Brady, portavoz de LIGO (Universidad de Wisconsin, Milwaukee). Algunos eventos, como cuatro descubiertos por Alexander Nitz (Instituto Max Planck de Física Gravitacional, Alemania) y otros el año pasado, se incorporaron más tarde al catálogo de LVK cuando los investigadores de LVK volvieron atrás e hicieron un análisis más profundo, dice Brady. Pero no pueden simplemente agregar los nuevos descubrimientos independientes a su propio catálogo, porque hacerlo socavaría la capacidad de LVK para analizar limpiamente toda la población de fusiones.

“Esta es la belleza de un campo joven como la astronomía de ondas gravitacionales”, agrega Brady. “Cada nueva observación y cada análisis de los datos avanza nuestra comprensión del universo muy rápidamente”.

Los investigadores de LVK ahora están dirigiendo su atención a la cuarta carrera de observación, que comenzará este Diciembre. Esperan detectar una fusión cada pocos días. A medida que se acumulen los eventos y mejore la sensibilidad, los bichos raros y las subclases serán más explorables.

Puede leer más sobre lo que las ondas gravitacionales nos han enseñado sobre los agujeros negros en nuestra edición de Junio de 2022.

Referencias:

S. Olsen et al. “New Binary Black Hole Mergers in the LIGO-Virgo O3a Data.” arXiv.org February 9, 2022.

A. H. Nitz et al. “3-OGC: Catalog of Gravitational Waves from Compact-Binary Mergers.” Astrophysical Journal. November 20, 2021.

Fuente: Sky & Telescope.

Artículo original:10 New Merger Events In Gravitational-Wave Data‘. Camille M. Carlisle. April 30, 2022.

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