Buscando ondas gravitacionales asociadas a los brotes de rayos gamma detectados por la Red InterPlanetaria

Hay muchos instrumentos operando en el espacio capaces de detectar rayos gamma, y a veces observan brillantes destellos llamados brotes de rayos gamma (GRB por sus siglas en inglés). A pesar de que sólo duran un corto periodo de tiempo, los GRB son los eventos electromagnéticos más brillantes del Universo. La Red Interplanetaria (IPN) es un conjunto de naves equipadas con detectores de rayos gamma que operan en el sistema solar interior, de Mercurio a Marte. Como se encuentran vastamente dispersadas, somos capaces de hallar en qué región del espacio tuvo lugar el brote de rayos gamma mediante técnicas de triangulación, ya que el brote alcanzará diferentes naves en diferentes tiempos. En general, los GRB están subdivididos en dos categorías: largos o cortos. Los GRB largos tienen un tiempo de exposición (duración del destello) mayor a dos segundos, así como un espectro energético dominado por rayos gamma relativamente menos energéticos ("más suaves"). Los GRB cortos tienen un tiempo de exposición menor a dos segundos y tienen un espectro energético dominados por rayos gamma relativamente más energéticos ("más duros"). Se cree que los GRB largos son provocados por el colapso de estrellas, y constituyen la mayor parte de la población detectada de GRB. En cuanto a los GRB cortos, hay menos consenso en tanto a su formación, aunque la hipótesis actual es la colisión de una estrella de neutrones con otra estrella de neutrones o un agujero negro. Esta interpretación se vio apoyada en 2013 con la observación de una kilonova asociada al GRB corto 130603B.

La búsqueda de ondas gravitacionales (OGs) ofrece una oportunidad adicional de estudiar los GRB y descartar modelos de su origen. Las OGs son "ondulaciones" en la curvatura del espacio tiempo predichas por la Teoría de la Relatividad General de Albert Einstein y producidas por los eventos más violentos del cosmos, como los GRB. Para GRB largos, buscamos cualquier ráfaga de ondas gravitacionales que sea detectada en más de un detector, ya que la señal puede resultar diferente para cada GRB proveniente del colapso de una estrella masiva. Por tanto, no suponemos ninguna forma específica para esas ondas. Por otro lado, para GRB cortos buscamos ondas gravitacionales correspondientes a la colisión y fusión de un sistema binario formado por dos estrellas de neutrones (NSNS por sus siglas en inglés) o una estrella de neutrones y un agujero negro (NSBH por sus siglas en inglés). Cada objeto sigue órbitas cerradas alrededor del otro, acercándose cada vez más y aumentando gradualmente su velocidad hasta llegar a la colisión. Dicho proceso está bien definido en términos teóricos, de manera que es posible partir de un conjunto de modelos de OG predichos por la Relatividad General y buscar señales consistentes en los datos cercanos al tiempo en que ocurrió el GRB.

Entre los años 2005 y 2010, los detectores de ondas gravitacionales LIGO y Virgo estuvieron operativos en un nivel de sensibilidad cercano al de diseño. Este periodo incluyó el quinto y sexto periodo de observación (S5, S6) de los tres detectores de LIGO (dos en Hanford, WA y uno en Livingston, LA) y tres periodos de observación (VSR 1-3) del detector Virgo en Cascina, Italia. Durante este tiempo la IPN detectó cerca de 600 GRB, cantidad que se vio disminuida a 223 ya que se exigía buena calidad de datos en varios detectores. Se llevó a cabo una búsqueda de ondas gravitacionales sin ningún tipo de patrón en tiempos cercanos a 221 de los 223 candidatos anteriores. También fue posible llevar a cabo una búsqueda de colisiones NSNS o NSBH en 27 GRB cortos.

No hallamos evidencia de ningún tipo de onda gravitacional asociada con los 223 GRB. Esto se debe probablemente a que los GRB se encontraban demasiado lejos para ser vistos por nuestros detectores. Combinamos esta búsqueda con otras previas llevadas a cabo con los datos de OG iniciales, lo que resultó en 508 GRB - incluyendo 69 GRB cortos. Saber cuan lejos podían llegar a ver los detectores LIGO y Virgo durante este periodo significa que es posible establecer límites en la población de GRB, hecho que nos da también un mejor entendimiento de la población de objetos astrofísicos que producen GRB. En particular, podemos determinar la "distancia de exclusión" más allá de la cual estimamos (con una cierta probabilidad) dónde se hallan los GRB, ya que no detectamos ninguna señal de OG.

Actualmente, los detectores de OG LIGO y Virgo están siendo mejorados a Advanced LIGO y Advanced Virgo. Se espera que estas actualizaciones mejoren la sensibilidad en un factor 10 (o mayor). Esto significa que futuras búsquedas se extenderán hasta distancias en las que se han detectado previamente GRB. Además, los periodos de observación de Advanced LIGO y Advanced Virgo se extenderán al menos el doble de los anteriores periodos de observación. Por tanto, esperamos o bien detectar OG asociadas a GRB, o bien eliminar y restringir varios modelos de GRB si no se detectan OG.

Glosario:

Rayos gamma: Radiación electromagnética de mayor energía en el espectro electromagnético.
Estrella de neutrones: Objeto extremadamente denso que permanece después del colapso de una estrella masiva.
Agujero negro: Región del espacio tiempo causada por una masa extremadamente compacta en la cual la gravedad es tan intensa que nada, incluida la luz, puede escapar.
Corrimiento al rojo: Unidad de medida de distancias cosmológicas basada en el alargamiento de la radiación hacia longitudes de onda más largas (más rojizas) a causa de la expansión del universo predicha por Hubble.

Lee más:

Preimpresión libre del documento describiendo el análisis y los resultados: http://arxiv.org/abs/1403.6639
Introducción a las ondas gravitacionales de sistemas binarios
Introducción a las ondas gravitacionales explosivas

Figuras de la Publicación

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Distancia de exclusión para los 508 GRB detectados en la era inicial del detector de OG usando la búsqueda no modelada de ráfagas de OG. Estos datos se extrapolaron para los detectores avanzados incrementando la población de GRB en un factor dos y la sensibilidad al corrimiento al rojo en un factor diez. Mostramos dos líneas para las diferentes energías que los GRB podrían emitir den forma de OG. Si la emisión de la energía más alta es correcta, los detectores avanzados deberían ser capaces de detectar algunos de los eventos que producen GRB largos.

Distancia de exclusión para los 69 GRB cortos detectados en la era inicial del detector de OG usando la búsqueda de modelos correspondientes a la colisión de sistema NSNS o NSBH. Estos datos se extrapolaron para los detectores avanzados incrementado la población de GRB en un factor dos y la sensibilidad al corrimiento al rojo en un factor diez. Mostramos dos líneas, una para el modelo NSNS y otra para el modelo NSBH. Las líneas de extrapolación se encuentran muy cercanas a las distancias conocidas a los GRB, de manera que es probable una detección conjunta OG/GRB en la era avanzada del detector.