¿Qué pueden decirnos las ondas gravitacionales acerca de las colisiones de estrellas y agujeros negros?

Interpretación artística de dos estrellas orbitando una alrededor de la otra (izquierda). La órbita se encoje a medida que el sistema emite energía en forma de ondas gravitacionales (centro). Cuando las estrellas se fusionan (derecha), se lleva a cabo una potente emisión de ondas gravitacionales. [Imagen: NASA]

Los detectores de ondas gravitacionales LIGO y Virgo han estado a la caza de señales provenientes de colisiones de estrellas de neutrones y agujeros negros, objetos formados a partir de los remanentes de estrellas varias veces más masivas que nuestro Sol. Cuando dos de estos objetos orbitan uno alrededor del otro en un sistema binario, la emisión de ondas gravitacionales se llevará gradualmente su energía orbital, forzándolos a acercarse cada vez más y más. El proceso es lento inicialmente, pero a medida que la órbita encoje las ondas gravitacionales se vuelven más intensas y el proceso se ve acelerando hasta que las estrellas colisionan y se fusionan, emitiendo en los últimos segundos uno de los más potentes estallidos energéticos del Universo.

Cuando hay estrellas de neutrones involucradas en la colisión, estos estallidos pueden ser responsables de brotes de rayos gamma cortos extremadamente intensos. Los brotes de rayos gamma se encuentran entre los eventos detectados más distantes, y una observación simultánea de una onda gravitacional nos permitiría identificar el sistema en su origen. Por otro lado, los choques de dos agujeros negros no pueden ser observados mediante observatorios electromagnéticos ya que no hay material que brille. Las ondas gravitacionales producto de la fusión de agujeros negros y estrellas de neutrones alcanzan la Tierra con muy baja amplitud; no obstante, nos proveen de información específica que no puede ser obtenida con luz. Estas potentes fuentes de ondas gravitacionales se encuentran entre los principales candidatos a ser detectados mediante detectores de ondas gravitacionales terrestres, pero una vez detectadas (mediante una búsqueda como esta), ¿qué pueden decirnos las ondas gravitacionales acerca de las estrellas y agujeros negros que las originaron?

Por fortuna, las ondas gravitacionales emitidas por fusiones de sistemas binarios no son explosiones aleatorias de energía, sino ondas altamente estructuradas que portan información acerca de su sistema progenitor a aquellos que puedan interpretarla. Las masas de los dos objetos involucrados, sus espines (como de rápido rotan alrededor de su propio eje), la localización del sistema binario en el cielo y la distancia de separación respecto a la Tierra están imprimidas en la señal recogida por los detectores de ondas gravitacionales.

Diferentes fuentes crean diferentes señales: aquí hay tres ejemplos de señales de ondas gravitacionales de diferentes tipos de sistemas binarios en fase inspiral:

La señal roja proviene de un sistema de dos agujeros negros de diez y cinco masas solares sin espín.

La señal verde proviene de dos agujeros negros de la misma masa con espín.

La señal azul proviene de un sistema de dos estrellas de neutrones de 1,4 masas solares cada una sin espín.

Sin embargo, los datos de los detectores contienen ruido aleatorio además de las posibles señales de ondas gravitacionales como las mostradas arriba, el cual es generalmente más intenso que las señales:

Ruido en el detector: los datos tomados por el detector se muestran en gris. El ruido es mucho mayor que las señales esperadas en rojo, verde y azul (de la figura superior, superpuestos sobre la señal gris de ruido).

No obstante, aún podemos determinar qué señal se encuentra enterrada en el ruido comparando la señal recibida con modelos de señal teóricos que producirían los diferentes tipos y configuraciones de fuentes. En vez de examinar cada uno de los modelos posibles (hay varios miles de millones de posibilidades) usamos algoritmos computacionales que se encargan de explorar un rango de posibilidades utilizando la similitud entre el modelo y la predicción como baremo de la búsqueda de la señal verdadera.

Un algoritmo de cadena de Markov Monte Carlo intenta buscar que par de masas produciría una señal test introducida artificialmente en nuestros datos. La señal test describe la fusión de dos agujeros negros de cinco y cuatro masas solares, las cuales se hallan marcadas mediante líneas rojas en la figura. Los ejes superior izquierdo y superior derecho muestran la probabilidad de las diversas masas posibles para cada uno de los agujeros negros, mientras que el superior central muestra la probabilidad para las combinaciones de dos masas. En los ejes inferiores se muestra la búsqueda del algoritmo. Eventualmente, el algoritmo halla un rango de masas probables compatible con la señal test.

Mediante las herramientas de supercomputación de LIGO, ejecutamos estos algoritmos para un número de señales test que cubre los tres principales tipos de sistemas binarios a los cuales los detectores LIGO y Virgo son sensibles: dos estrellas de neutrones, dos agujeros negros o una estrella de neutrones orbitando alrededor de un agujero negro. Buscamos sistemas con diferentes masas, con o sin espín en cada componente, con diferentes intensidades de señal. Para comprobar que nuestra prueba de análisis funcionó en todo momento desde la medición hasta los resultados finales, se añadieron señales test a los detectores moviendo físicamente los espejos a fin de simular el paso de una onda gravitacional. Esto incluía una señal que fue añadida secretamente sin el conocimiento de la colaboración (el reto de la "inyección ciega").

Los resultados de estos análisis muestran que somos capaces de recuperar parámetros físicos de las fuentes tales como las masas de los componentes, los espines y la localización en el cielo. Sin embargo, mostramos ejemplos en los cuales las masas y espines recuperados pueden verse desviados si se escogen hipótesis incorrectas a la hora de generar el modelo de la señal. Ahora que sabemos más acerca de la importancia de los diferentes aspectos físicos de un sistema binario a la hora de determinar una señal ¡estamos más listos que nunca para abrir esta nueva ventana al Universo!

Lee más:

Glosario:

Espín: Las estrellas y los agujeros negros pueden rotar alrededor de su propio eje, en cuyo caso se dice que el objeto posee espín.
Masa solar: La masa del sol es una unidad de masa conveniente en astrofísica: 1M_⊙=1.9891×10³⁰ kg.
Ruido: La salida de los detectores de ondas gravitacionales contiene fluctuaciones espurias, llamadas ruidos, que se originan en diferentes fuentes instrumentales y ambientales como por ejemplo el movimiento sísmico del suelo, actividades humanas o perturbaciones electromagnéticas.

Figuras de la publicación

En lo que respecta a las siguientes figuras, se inyectó una señal test en el ruido y se intentaron reconstruir las propiedades de la señal con diferentes hipótesis acerca de cómo se comportan las ondas gravitacionales, las cuales generaron modelos ligeramente diferentes. Para saber más acerca de cómo fueron generadas las figuras, su significado y la lista detallada de modelos, consultar la publicación en arXiv.org (sección III.A.1).

Esta figura muestra las masas más probables del sistema binario: para cada uno de los 7 modelos hay un 90% de probabilidad de que las masas reales se encuentren dentro del contorno marcado. La estrella azul marca las masas utilizadas para generar la señal test. Todos los modelos recuperan los valores reales excepto el modelo TaylorF2 @2PN (en amarillo), para el cual las masas recuperadas están desviadas.

Esta figura muestra los valores más probables de la localización en el cielo del sistema binario: para cada modelo hay un 90% de probabilidad de que la localización real se halle dentro del contorno marcado. La estrella azul marca la localización estelar utilizada para generar la señal test, y todos los modelos recuperan los valores reales.

Aquí intentamos reconstruir la inclinación del sistema test (i.e. el ángulo entre el plano de su órbita y la dirección hacia la Tierra) y la distancia desde la Tierra utilizando diferentes modelos. Para cada modelo hay un 90% de probabilidad de que los valores reales de inclinación y distancia se encuentren en el interior del contorno. La estrella azul marca los valores de inclinación y distancia utilizados para generar la señal test, y todos los modelos recuperan los valores reales.