Planificando un futuro brillante: perspectivas de la astronomía de ondas gravitacionales con Advanced LIGO y Advanced Virgo

¿Dónde te ves en cinco años? Esta es una pregunta muy temida en las entrevistas. Es difícil predecir donde estarás en el futuro, ya que nunca sabes que oportunidades (o contratiempos) te encontrarás o cómo van a cambiar tus intereses. Aun así, es una buena idea tener un plan, pensar que quieres conseguir para así establecer unas metas claras. Las colaboraciones científicas también tienen que pensar sobre el futuro, y hacerlo es igual de difícil que para nosotros. A menudo, hacemos las cosas por primera vez, así que puede ser difícil predecir cuánto tiempo tardaremos en terminarlas. Sin embargo, con tanta gente involucrada de todo el mundo, es extremadamente útil tener un plan para coordinar nuestros esfuerzos.

LIGO y Virgo han pensado sobre donde queremos estar en cinco años, y han escrito una respuesta. Puede no ser muy útil en entrevistas, pero debería hacer saber a otros astrofísicos que pueden esperar. Un primer plan fue producido en 2013 y ahora lo estamos actualizando teniendo en cuenta el progreso. La buena noticia es que actualmente estamos justo en el blanco. De hecho, estamos cerca de nuestras máximas expectativas.

Los detectores avanzados de LIGO empezaron su primer periodo de observación, llamado O1, el 18 de Septiembre de 2015. Los detectores no han alcanzado aún su sensibilidad final, pero ya son cuatro veces más sensibles que los detectores iniciales de LIGO. Mejorar los detectores de ondas gravitacionales es un proceso largo y complicado. En lugar de esperar hasta que éstos estén en su sensibilidad final antes para iniciar las observaciones, tenemos la intención de llevar a cabo varios períodos de observación a lo largo del camino. Esto se hace ya que estamos ansiosos por empezar la búsqueda de ondas gravitacionales lo antes posible. Queremos ganar experiencia operando nuestros detectores en un estado estable, y también queremos probar nuestros métodos de análisis de datos. Averiguar como extraer toda la información posible de los datos (mientras se comprueba cuidadosamente la posible presencia de ondas gravitacionales) es igual de complicado que conseguir que los detectores funcionen. Está planeado que O1 dure cuatro meses, acabando a mediados de Enero. Después, empezará el trabajo de mejora de los instrumentos para el segundo periodo de observación, llamado O2 (estas mejoras dependerán de lo que hayamos aprendido sobre los instrumentos en O1). O2 empezará en 2016 y durará unos seis meses. Con suerte, por esa fecha Advanced Virgo se unirá a Advanced LIGO. Después de O2 habrá una nueva mejora de los instrumentos, que será seguido por un nuevo periodo de observación de nueve meses, llamado O3. Cada actualización debería mejorar la sensibilidad de los detectores y aumentar las posibilidades de detección de ondas gravitacionales. Si todo va acorde a lo planeado, Advanced LIGO y Advanced Virgo funcionarán a la máxima sensibilidad alrededor de 2021.

No se trata sólo de aquellos impacientes por la primera detección directa de ondas gravitacionales que están interesados en los planes de observación de Advanced LIGO y Advanced Virgo. Muchos astrónomos están dispuestos a buscar una explosión (o su resplandor) que acompaña a un evento de ondas gravitacionales. Estas explosiones son llamadas contrapartidas electromagnéticas, ya que las observaciones son hechas con radiación electromagnética (como luz visible, radio o rayos gamma), así como con radiación gravitacional (ondas gravitacionales). La detección de tanto la radiación electromagnética y gravitacional proveniente de la misma fuente permite una comprensión más completa de la física, y observaciones simultáneas como esta son llamadas astronomía de multimensajeros. Algunas fuentes de ondas gravitacionales, como estrellas de neutrones fusionándose, pueden venir acompañadas de una señal electromagnética, mientras que otras, como la fusión de agujeros negros, puede que no lo hagan (aunque sería muy excitante si lo hicieran). Para planear estas observaciones, los astrónomos necesitan saber cuando estaremos buscando ondas gravitacionales y cuanta porción del cielo van a tener que cubrir.

Cuando se localizan fuentes en el cielo, los detectores de ondas gravitacionales funcionan como oídoslocalizando una fuente de sonido. Las diferencias temporalesentre la llegada de la señal a diferentes detectores da información sobre su procedencia. Añadir Advanced Virgo a la red marcará una gran diferencia a la hora de localizar fuentes! También hay planes para añadir un detector en India para mejorar aún más la red. Además, en los próximos años los detectores de Virgo y LIGO serán acompañados por un detector japonés, KAGRA, que está actualmente en construcción. La localización en el cielo mejorará a medida que la red de detectores se amplía. Añadir más detectores también ampliará la fracción de tiempo en la que tenemos dos o más detectores observando. Aún así, mejorar la sensibilidad de los detectores hará que la red pueda detectar señales más lejanas, las cuales tendrán contrapartidas electromagnéticas más débiles. A los astrónomos les espera un gran reto.

Lo único que no podemos prever es exactamente cuando va a pasar por la Tierra una onda gravitacional. Aún así, cada mejora en la sensibilidad de los detectores y en el análisis de datos aumenta la posibilidad de hacer una detección. LIGO, Virgo y KAGRA estarán pronto detectando señales de ondas gravitacionales y es posible que también existan contrapartidas electromagnéticas.

Glosario

  • Radiación electromagnética: la luz visible está comprendida desde rojo hasta violeta, pero fuera de este rango nuestro ojos pueden ver que este espectro continúa. Más allá de la luz roja hay la infrarroja, microondas y ondas de radio. Más allá del violeta hay ultravioleta, rayos X y rayos gamma. Este es el espectro de radiación electromagnética, y los astrónomos usan parte de este espectro para aprender más sobre el universo. Toda la radiación electromagnética tiene forma de onda del campo electromagnético, y se diferencian en su frecuencia o longitud de onda.
  • Radiación gravitacional: son ondas en el espacio-tiempo creadas por objetos masivos acelerados. Como la radiación electromagnética, viajan a la velocidad de la luz. Habitualmente conocidas como ondas gravitacionales, son una predicción de la teoría de la Relatividad General de Einstein. Si quieres saber más, has venido al lugar correcto! Prueba a mirar las otras páginas sobre ondas gravitacionales.

Para saber más:

Figuras de la publicación

Para más información sobre sobre las figuras, mirar la pre-impresión en arXiv.

La curva de sensibilidad de Advanced LIGO.

La curva de sensibilidad de Advanced Virgo.

Nuestro plan actual sobre como progresará la sensibilidad de Advanced LIGO y Advanced Virgo. Las curvas muestran la amplitud del ruido esperado a través del espectro de frecuencias de ondas gravitacionales; esta amplitud es una buena medida de la sensibilidad de los detectores de ondas gravitacionales. Cuanto más baja sea la curva en las figuras, mejor son los detectores para medir ondas gravitacionales. No podemos predecir exactamente como será el futuro, pero estas son nuestras predicciones actuales. La curva "BNS-optimized" es una idea para buscar específicamente estrellas de neutrones binarias, una de las fuentes de ondas gravitacionales más esperadas.

Un plausible  cronograma sobre como operarán los detectores de LIGO y Virgo en la próxima década.

Un plausible cronograma sobre como operarán los detectores de LIGO y Virgo en la próxima década. Las fechas son más inseguras cuanto mas nos alejamos en el tiempo. Las barras de color se corresponden a los períodos de observación, con los colores correspondientes a la figura anterior. Entre períodos de observación, trabajamos en mejorar la sensibilidad de los detectores, y tenemos períodos de ingeniería donde probamos los instrumentos y comprobamos que entendemos como se comportan cuando están en funcionamiento.

Una simulación de un  mapa del cielo  para la localización de una fusión de estrellas de neutrones que podría ser vista en O1

Una simulación de un mapa del cielo para la localización de una fusión de estrellas de neutrones que podría ser vista en O1 (Berry et al. 2015). Rojos más oscuros indican posiciones más probables y la estrella muestra la posición real. El mapa permite a los astrónomos decidir donde apuntar sus telescopios para tener las mejores oportunidades de detectar una contrapartida electromagnética. Con solo dos detectores, localizamos la fuente alrededor de un círculo en el cielo desde el cual la onda gravitacional pasaría a través de nuestros detectores en tiempos que coinciden con nuestras medidas. En estas proyecciones, los círculos parecen largos arcos rojos.

Find us on Facebook   Follow us on Twitter    Follow us on YouTube