En búsqueda de ondas gravitacionales de larga duración asociadas con estallidos largos de rayos gamma

Los observatorios LIGO y Virgo intentan detectar ondas gravitacionales que viajan por el espacio-tiempo. Estas pueden ser creadas por la muerte violenta de algunos tipos de estrellas masivas. Las ondas gravitacionales son comparables a las ondas sonoras. Mientras que las ondas sonoras se propagan como compresiones en el aire que nos rodea, las ondas gravitacionales se propagan apretando y estirando el espacio mismo. En esta analogía, LIGO y Virgo son "los oídos" de ondas gravitacionales que desean escuchar los últimos momentos frenéticos en la vida de una estrella masiva. Al escuchar los últimos latidos de vida de las estrellas masivas, podemos llevar a cabo el peritaje estelar para reconstruir su destino.

Recreación artística de un estallido de rayo gama.

Recreación artística de un estallido de rayo gama. Una burbuja de materia se ha formado en el disco de acreción. El movimiento de la burbuja puede producir ondas gravitacionales. (Imagen: Tony Piro)

Hay más de una posibilidad para el final de una estrella. Algunas terminan en supernovas, explosiones estelares que pueden eclipsar momentáneamente toda una galaxia de estrellas. Otras en estallidos (cortos) de rayos gamma, que se cree que son causados por la colisión de dos estrellas de neutrones (o una estrella de neutrones y un agujero negro). La colisión produce un breve pero intenso destello de radiación gamma junto con una breve señal de ondas gravitacionales que barre desde bajas a altas frecuencias. Otra alternativa son estallidos (largos) de rayos gamma, se cree que estos surgen a partir del colapso de estrellas masivas individuales. No sabemos exactamente lo que sucede durante o después de un estallido largo de rayos gamma, pero algunas de las condiciones necesarias para la emisión de ondas gravitacionales son la presencia de: materia densa, enormes cantidades de energía y un nacimiento reciente de una estrella de neutrones que gire rápidamente, o equivalentemente un agujero negro.

Con ninguna imagen clara del funcionamiento interno de los estallidos largos de rayos gamma, los detectores de ondas gravitacionales pueden ayudar a llenar estos vacíos mediante la búsqueda de ondas gravitacionales de estallidos largos de rayos gamma. Una de las teorías, sugiere que las ondas gravitatorias pueden emitirse a partir del movimiento de burbujas de materia en el disco de acreción que se forma alrededor de una estrella colapsada (ilustración de la derecha). En este estudio, se buscaron en los datos de LIGO para señales largas de ondas gravitacionales, que duran decenas o incluso cientos de segundos, lo que es significativamente más largo que los chirridos cortos que se consideran relacionados con la colisión de estrellas de neutrones. Tales ondas gravitacionales de larga vida pueden ser creadas a raíz de la muerte de una estrella masiva. El duradero resplandor de rayos X de algunos estallidos largos de rayos gamma apuntan a procesos interesantes que tienen lugar en estas escalas de tiempo. La búsqueda utiliza técnicas de reconocimiento de patrones para encontrar señales de ondas gravitacionales en el ruido del detector (ver las figuras de la derecha).

El análisis LIGO descrito aquí escuchó las ondas gravitacionales de 50 estallidos largos de rayos gamma observados por el satélite Swift. En cada caso, los datos fueron consistentes con el ruido del detector, lo que indica que sin importar si las ondas gravitacionales que estaban presentes no eran lo suficientemente fuertes para ser detectadas. Por el momento, los momentos finales de estrellas masivas siguen siendo un misterio. Sin embargo, todavía se puede ganar información valiosa mediante el análisis cuidadoso de lo que no se oye. En particular, se determinó que si una energía equivalente a la décima parte de la masa de nuestro Sol se convierte en ondas gravitacionales durante un típico estallido largo de rayos gamma entonces, los estallidos de rayos gamma que analizaríamos deberían estar entre 3 y hasta 110 millones de años luz de distancia dependiendo de la frecuencia de las ondas gravitacionales. (La masa y energía están relacionadas por la famosa ecuación de Einstein: E=mc2.) Mientras 110 millones de años luz es varias veces el tamaño de nuestra galaxia, esto sería inusualmente cerca para un rayo gamma ya que la mayoría de ellos ocurren a distancias por lo menos diez veces más lejos.

Se espera que los experimentos de Advanced LIGO y Advanced Virgo, programados para comenzar a tomar datos en 2015, lograrán con el tiempo los niveles de sensibilidad que permitan sondear objetos diez veces más lejos que los datos hasta aquí analizados, donde las explosiones de rayos gamma son más frecuentes. Con los detectores mejorados y el continuo mejoramiento de sus métodos para burlar los ruidos de las de señales de ondas gravitacionales, Advanced LIGO y Advanced Virgo pueden por fin permitirnos escuchar los gritos finales de la muerte de estrellas masivas.

Escucha

  • Un audio mp3 de un chirrido de ondas gravitacionales creado a partir de la colisión de dos estrellas de neutrones. Este sonido es relativamente corto.
  • Un audio mp3 de un sonido de ondas gravitacionales creado a partir del movimiento de las manchas o burbujas de materia en el disco de acreción de una estrella colapsada. En comparación con el chirrido, este sonido es largo. El tono (que representa la frecuencia de la onda gravitacional) se vuelve poco a poco más profundo. Trate de escuchar desde el principio del sonido hasta el final para notar la diferencia.

Glosario

  • Ruido del detector: fluctuación aleatoria en la medición de la señal de salida del detector debido a los diferentes efectos instrumentales y ambientales. La sensibilidad del detector está limitado por el ruido.

Para saber más:

Figuras de la publicación

Para obtener más información sobre el significado de estas imágenes, ver la pre-impresión en arXiv.org.

Intensidad de la señal en función tanto del tiempo  
 como de la frecuencia de la onda gravitacional para una onda gravitacional 
 simulada añadida al ruido del detector.

Este gráfico muestra intensidad de la señal (marcada como "SNR" para relación señal-ruido) en función tanto del tiempo (eje x) como de la frecuencia de la onda gravitacional (eje y) para una onda gravitacional simulada añadida al ruido del detector. La escala de colores indica la potencia de la señal. Naranja corresponde a ninguna señal y blanco a una señal fuerte. La señal simulada aparece como una traza amarilla curvada. El ruido del detector produce fluctuaciones en la intensidad de la señal en toda la imagen, incluso cuando no hay señal presente. El objetivo de este análisis es encontrar trazas de ondas gravitacionales como ésta enterrada en el ruido del detector, aunque una señal realista sería mucho más débil. En este ejemplo la señal es muy fuerte para que sea fácil de ver. Las líneas horizontales negras indican las bandas de frecuencia que han sido excluidas por ser demasiado ruidosas.

Los límites inferiores de la distancia a estallidos 
largos de rayos gamma en función de la frecuencia de las ondas gravitacionales.

Este gráfico muestra los límites inferiores de la distancia a estallidos largos de rayos gamma en función de la frecuencia de las ondas gravitacionales asumiendo que una energía equivalente a la décima parte de la masa de nuestro Sol se emite en las ondas gravitacionales. Los límites se calculan de manera que estamos 90% seguros de que la verdadera distancia es mayor que los límites. Las distancias se dan en megaparsecs (Mpc). Un megaparsec es equivalente a 3,26 millones de años luz.