Fondo de ondas gravitacionales que se espera de binarias de agujeros negros como GW150914

INTRODUCCIÓN

Es una época apasionante en el campo de la astronomía de ondas gravitacionales - la observación de ondas gravitacionales por los detectores de Advanced LIGO provenientes de una fusión de agujeros negros es un evento de enorme importancia científica. Hace un siglo, Einstein desarrolló la relatividad general y predijo la existencia de ondas gravitacionales. Esta primera detección directa de ondas gravitacionales, llamada "GW150914", es una confirmación de la teoría de Einstein y es la primera observación directa de una pareja de agujeros negros fusionándose para formar un único agujero negro. La observación de GW150914, y futuras observaciones de fusiones de binarias de agujeros negros, proveerán nuevas revelaciones sobre agujeros negros masivos en la parte relativamente cercana de nuestro universo.

GW150914 no será el único evento de este tipo en el universo. Se puede esperar que, de media, las fusiones de agujeros negros binarios ocurran a un ritmo determinado. Cuando estas fusiones ocurran a un par de miles de millones de años luz de la Tierra, probablemente serán observadas directamente por Advanced LIGO (y próximamente también Advanced Virgo). Eventos más lejanos aparecerán simplemente como ruido aleatorio en los detectores de ondas gravitacionales (como estática en una vieja televisión), demasiado débiles para ser medidos directamente. Sin embargo, será posible observar la suma de fusiones de agujeros negros binarios que hayan ocurrido a lo largo de la historia del universo observable.

¿QUÉ ES EL FONDO DE ONDAS GRAVITACIONALES?

Las ondas gravitacionales son oscilaciones del espacio-tiempo predichas por la teoría de Einstein de la relatividad general. Las ondas gravitacionales son producidas por objetos en aceleración de cualquier tamaño, incluidos los humanos. Aún así, la mayoría de estas ondas son demasiado débiles para ser detectadas experimentalmente. En general, esperamos observar ondas gravitacionales producidas por los objetos más masivos moviéndose a una velocidad cercana a la de la luz, como la binaria de agujeros negros que produjo GW150914.

Por cada evento ruidoso y cercano como GW150914, hay muchos más que están demasiado lejos para ser individualmente detectados por Advanced LIGO. Las ondas gravitacionales provenientes de estas lejanas binarias de agujeros negros se combinan para crear un fondo de ondas gravitacionales relativamente silencioso. A medida que una pareja de agujeros negros se fusiona, produce una corta emisión de ondas gravitacionales que solo dura unas décimas de segundo. Estas emisiones mayormente silenciosas están separadas temporalmente, y llegan a la Tierra a un ritmo promedio de aproximadamente una cada 15 minutos. Los tiempos de llegada exactos están distribuidos al azar, como el estallido aleatorio de granos individuales de palomitas de maíz.

Un fondo de palomitas de maíz es un ejemplo de una categoría más amplia de ondas gravitacionales llamada "fondo estocástico". En general, los fondos estocásticos están formados por la combinación de muchas fuentes irresolubles. Fuentes irresolubles son aquellas que no podemos distinguir individualmente, ya sea porque son demasiado silenciosas (como en el caso del fondo de palomitas) o porque simplemente hay demasiadas ocurriendo al mismo tiempo. Detectar un fondo estocástico es como escuchar voces en una sala muy concurrida. Aparte de la gente más ruidosa, y la más cercana, puedes oír las demás conversaciones fundidas en un susurro continuo.

¿QUÉ NOS PUEDE DECIR?

Se estima que las ondas gravitacionales han sido creadas a lo largo de toda la historia del universo. Dependiendo de cuándo fueron producidas, el fondo de ondas gravitacionales puede ser clasificado en dos categorías: cosmológico y astrofísico. Se predice que los fondos cosmológicos han sido producidos por fuentes que existían en los primeros momentos del universo, solo unos segundos después del Big Bang, mientras que los fondos astrofísicos han sido producidos por sistemas de estrellas masivas como las estrellas de neutrones y los agujeros negros que podemos ver hoy en día. Es probable que las contribuciones astrofísicas al fondo de ondas gravitacionales dominen sobre las contribuciones cosmológicas. La señal de ondas gravitacionales producidas por una población de binarias de agujeros negros como GW150914 es un ejemplo del fondo astrofísico.

La amplitud del fondo de ondas gravitacionales a diferentes frecuencias depende mucho del tipo de fuente que lo ha producido. Así, dependiendo del tipo de fondo que detectemos, podemos aprender sobre el estado del universo unos breves momentos después del Big Bang, o sobre cómo está evolucionando el universo en los tiempos más recientes. Además, comprobar si la señal es más fuerte en algunas direcciones del cielo o si está uniformemente distribuida nos dará información sobre la distribución de las fuentes que produjeron dicho trasfondo.

¿QUÉ SIGNIFICA GW150914 PARA UN FONDO DE ONDAS GRAVITACIONALES? ¿POR QUÉ ES INTERESANTE?

GW150914 fue un evento individual. Sus ondas gravitacionales provinieron de una fusión de dos agujeros negros, con masas de aproximadamente 29 y 36 veces la masa del Sol, formando un único agujero negro con una masa 62 veces la masa del Sol. Las grandes masas de los agujeros negros que componen GW150914 sugieren que la señal irresoluble de fondo proveniente de la población de binarias de agujeros negros es probablemente más poderosa de lo que creían la mayoría de astrofísicos. Esto significa que tenemos mayor posibilidad de medir este fondo con los detectores Advanced LIGO y Virgo. Tendremos que analizar datos durante muchos años, pero es posible que se acabe detectando la señal.

¿CÓMO DETECTAMOS ESTAS ONDAS GRAVITACIONALES?

Aunque las señales individuales de las fusiones de agujeros negros tienen una forma característica, las señales provenientes de fuentes lejanas son demasiado débiles para ser detectadas individualmente y los tiempos de llegada de los estallidos tipo palomita de maíz son aleatorios. Esto significa que las búsquedas estándar de eventos individuales tipo GW150914 no sirven para detectar la silenciosa señal de palomita de maíz proveniente de la población de fusiones de agujeros negros a través del universo. Así que Necesitamos un enfoque diferente (descrito abajo) para detectar estas fuentes irresolubles.

Es difícil buscar una señal aleatoria débil usando datos de un único detector, porque el ruido del mismo detector también es aleatorio. En lugar de eso, comparamos (correlacionamos) datos de parejas de detectores, por ejemplo los detectores LIGO en Hanford, WA, y Livingston, LA. La señal aleatoria de ondas gravitacionales será la misma en los dos detectores (estará correlacionada), mientras que el ruido de cada detector no lo estará (ya que los detectores están muy separados y la mayoría de las fuentes de ruido son debidas al entorno local de cada detector). Por eso podemos usar esta similitud (correlación) para distinguir la señal de ondas gravitacionales del ruido de los detectores.

Además, calculando esta correlación a lo largo de todo el periodo de observación (que podría durar meses o años), construimos la señal relativa al ruido incluyendo la contribución de eventos que ocurren una vez cada 15 minutos (en promedio). Cuantos más datos tenemos para analizar, mejor es el resultado para este tipo de búsqueda.

ESTIMANDO EL TRASFONDO DE ONDAS GRAVITACIONALES BASÁNDONOS EN LO QUE HEMOS APRENDIDO DE GW150914

Diversos factores influyen en la cantidad de sistemas binarios de agujeros negros que se formarán en el universo. Una cuestión importante a largo plazo será tratar de describir cómo sistemas parecidos a GW150914 fueron creados. Por ejemplo, es posible que los dos agujeros negros de GW150914 evolucionaran a partir de un sistema de estrellas binarias en el que las estrellas en órbita eran muy masivas. O tal vez el sistema fuera creado en un cúmulo globular (un grupo de estrellas firmemente unidas entre sí por la gravedad), donde uno podría imaginar muchas interacciones teniendo lugar que podrían hacer que agujeros negros inicialmente pequeños evolucionaran en otros mayores. Las estrellas más masivas tienen una vida corta y a menudo producen agujeros negros tras su muerte, así que conocer la tasa de nacimiento de estrellas masivas es importante. El ritmo de formación de estrellas depende de la cantidad de materia presente y de sus constituyentes; ¿había solo hidrógeno y helio presente cuando la estrella nació, o había también otros elementos? Además, ¿cuánto tardaron los dos agujeros negros en acercarse lo suficiente para colisionar? Todos estos ingredientes contribuyen a los diferentes modelos de formación de binarias de agujeros negros que hemos considerado.

Si detectamos un fondo estocástico de ondas gravitacionales en el futuro, no seremos capaces de distinguir entre los distintos modelos que describen cómo estos sistemas binarios de agujeros negros fueron creados. Sin embargo, podremos contribuir a la comprensión de cuán a menudo suceden estas fusiones en el universo lejano. Futuras mediciones de señales individuales de agujeros negros en fusión proveerán una mejor estimación de cuán a menudo estos tipos de eventos ocurren en el universo cercano y más información sobre las masas de los agujeros negros. Combinar lo que aprendamos de un fondo estocástico con las mediciones de eventos individuales puede ayudar a distinguir entre los diferentes caminos de formación de binarias de agujeros negros.

IMPLICACIONES PARA EL FUTURO

El evento GW150914 sugiere que las tasas de fusión y las masas de las binarias de agujeros negros se encuentran en el extremo superior del rango de predicciones anteriores. Esto significa que un fondo de ondas gravitacionales debido a agujeros negros fusionándose también será mayor. Existen incertidumbres considerables asociadas con la amplitud de este fondo, pero su detección podría estar al alcance de los detectores avanzados en su sensibilidad más alta. Mirando al futuro, la siguiente generación de detectores de ondas gravitacionales podría ser capaz de combinar mediciones de un fondo de ondas gravitacionales con mediciones de fusiones individuales de agujeros negros para distinguir cómo los agujeros negros han llegado a orbitarse el uno al otro.

GLOSARIO

  • Fondo astrofísico: un fondo estocástico de ondas gravitacionales producido por fuentes como estrellas de neutrones y agujeros negros.
  • Agujero negro: una región del espacio-tiempo causado por una masa extremadamente compacta donde la gravedad es tan intensa que impide que cualquier cosa, incluida la luz, pueda escapar.
  • Correlación: la cantidad de similitud entre dos conjuntos de datos. Por ejemplo, la comparación de datos provenientes de parejas de detectores de ondas gravitacionales para buscar señales débiles (como un fondo estocástico) que son compartidas (correlacionadas) por los dos instrumentos.
  • Fondo cosmológico: un fondo estocástico de ondas gravitacionales producido por fuentes como aquellas en el temprano universo (en el instante después del Big Bang).
  • Cúmulo globular: un grupo muy denso de estrellas unidas entre sí por la gravedad.
  • Estrella de neutrones: un objeto extremadamente denso que permanece tras el colapso de una estrella masiva.
  • Fondo de palomita de maíz: los efectos de la combinación de estallidos de ondas gravitacionales provenientes de todas las binarias de agujeros negros demasiado lejanas para ser detectadas directamente. Estos estallidos llegan a la Tierra en tiempos aleatorios, como cada estallido de una palomita de maíz.
  • Espacio-tiempo: un continuo entretejido de espacio y tiempo.
  • Fondo estocástico: una señal de onda gravitacional formada por la combinación de diversas fuentes individualmente irresolubles. Las fuentes son irresolubles si son demasiado débiles para ser detectadas directamente o si demasiadas se superponen al mismo tiempo, como conversaciones en una sala muy concurrida.
  • Estocástico: determinado aleatoriamente; teniendo un patrón aleatorio que podría ser analizado estadísticamente pero no puede ser predicho precisamente.

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FIGURAS DE LA PUBLICACIÓN

La figura 1 compara la amplitud esperada del fondo de ondas gravitacionales para un 
modelo de referencia

La figura 1 compara la amplitud esperada del fondo de ondas gravitacionales para un modelo de referencia (en azul) con la sensibilidad esperada de la red de los detectores Advanced LIGO y Virgo (en negro) durante los próximos años. El fondo total para todas las binarias de agujeros negros es la curva azul sólida; el fondo de tan solo las señales irresolubles es la curva azul discontinua. La región rosa muestra un rango de posibles amplitudes de señal debido a la incertidumbre que tenemos en la tasa de fusiones de agujeros negros determinada por GW150914. Las tres curvas negras muestran como la sensibilidad de la búsqueda correlacionada mejora desde el primer periodo de observación O1 hasta el último periodo O5, cuando los dos detectores Advanced LIGO y el detector Advanced Virgo se encuentren tomando datos simultáneamente a su mejor sensibilidad. (Cuanto más abajo esté la curva negra, más sensibilidad tiene la red de detectores). Cuando una curva azul intercepta una curva negra, como ocurre con O5, hay una pequeña posibilidad de ser capaz de medir la señal correlacionada de onda gravitacional relativa al ruido del detector.

La figura 2 muestra cómo se espera que la amplitud de la señal correlacionada

La figura 2 muestra cómo se espera que la amplitud de la señal correlacionada de ondas gravitacionales relativa al ruido del detector (llamada "signal-to-noise ratio" o SNR) aumente a lo largo del tiempo de observación. (Más fusiones de binarias de agujeros negros contribuyen a la señal correlacionada cuando observas durante tiempos mayores). Las curvas azules y la región rosa tienen el mismo significado que en la figura 1. Las etiquetas O1, O2, etc. indican los diferentes periodos de observación. Las líneas negras horizontales corresponden a diversos valores del SNR esperado. Tendremos mucha confianza en haber observado el fondo de ondas gravitacionales cuando midamos un SNR=3 (las posibilidades de obtener un valor tan grande de SNR teniendo solo ruido son menores que un 0,3%). Para el modelo de referencia incluyendo todos los agujeros negros binarios (la curva azul continua), esto ocurrirá en aproximadamente 6 años (72 meses). Pero si tenemos suerte, y la tasa se encuentra en el extremo superior de nuestras predicciones (correspondiente a la parte de arriba de la región rosa), podremos alcanzar un SNR=3 tras solo 1,5 o 2 años.

La figura 3 explora cuán probable es que hagamos una detección

La figura 3 explora cuán probable es que hagamos una detección del fondo de ondas gravitacionales si consideramos diversos modelos realistas de GW150914. La línea negra discontinua muestra la sensibilidad esperada de la red de detectores Advanced LIGO y Virgo después de un par de años tomando datos. La línea negra continua muestra la predicción para el modelo de referencia y la región rosa muestra el rango de la predicción debido a incertidumbres considerables en nuestra estimación actual de las tasas. Las otras líneas muestran una variedad de modelos que son consistentes con lo que conocemos de GW150914. Es importante ver que todos los modelos se encuentran en la región rosa, lo que significa que no somos muy sensibles a las diferencias entre los modelos. También es importante notar que la línea negra discontinua cruza la región rosa, queriendo decir que es posible hacer una detección con los detectores Advanced LIGO y Virgo.