Como detectar ondas gravitacionales de colisiones supermasivas de agujeros negros.

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Después de cinco detecciones en los últimos años, las ondas gravitacionales están en peligro de convertirse en noticias aburridas. Pero vale la pena tener en cuenta lo innovador que es un descubrimiento. Después de todo, estas son distorsiones en el propio tejido del espacio-tiempo. Los instrumentos precisos en las instalaciones de LIGO y Virgo fueron responsables de estas detecciones pasadas, pero ahora los astrónomos planean buscar ondas de colisiones supermasivas de agujeros negros usando detectores naturales en el espacio: púlsares, los “faros cósmicos” del cielo.

Las primeras cuatro detecciones de ondas gravitacionales surgieron de la fusión de dos agujeros negros, cada uno unas docenas de veces más masivo que nuestro Sol. El quinto y más reciente evento fue creado por una colisión entre dos estrellas de neutrones , lo que significa que las ondas fueron acompañadas por firmas de luz por primera vez.

Todos estos eventos fueron recogidos por instalaciones terrestres como el Observatorio de ondas gravitacionales por interferómetro láser avanzado (LIGO) en los EE. UU. O las instalaciones de Virgo en Italia. Estos observatorios hacen sus detecciones irradiando láseres por túneles largos y midiendo con precisión pequeñas distorsiones en el haz. Se tiene extremo cuidado para eliminar todas las posibles interferencias, de modo que la única forma en que el láser puede verse afectado es cuando las ondas gravitacionales lo bañan y deforman físicamente el tejido local del espacio-tiempo.

Estos detectores han logrado detectar ondas de agujeros negros y estrellas de neutrones con masas varias docenas de veces más grandes que el Sol, pero las ondas de cataclismos cósmicos mucho más grandes, como colisiones entre dos galaxias, hasta ahora han eludido la detección. Eso se debe a que se propagan a una frecuencia mucho más baja, y un nuevo estudio ha delineado dónde y cómo comenzar a buscar.

“Observar las ondas gravitatorias de baja frecuencia sería como poder escuchar cantantes de bajo, no solo sopranos”, dice Joseph Lazio, coautor del estudio.

Los investigadores dicen que los púlsares son clave para aprovechar las canciones de estos Barry Whites intergalácticos. Los pulsares son estrellas de neutrones densas que giran rápidamente, emitiendo señales electromagnéticas como un mecanismo de relojería. La regularidad y la fuerza de esas señales les ha valido el sobrenombre de “faros cósmicos”, y los programas actualmente usan grandes conjuntos de púlsares conocidos para buscar ondas gravitatorias.

Estas matrices de sincronización de pulsar se basan en el mismo principio que LIGO y Virgo. Esencialmente, si se conoce lo suficiente sobre cada púlsar, entonces sus señales pueden predecirse de manera increíblemente precisa, de modo que si esas señales se retrasaran incluso en la mínima fracción de tiempo, eso podría indicar que una onda gravitacional ha llegado. Es importante destacar que este método podría estar más sintonizado hacia ondas de frecuencia más baja.

“Una diferencia entre cuándo deberían llegar las señales del púlsar, y cuándo llegan, puede señalar una onda gravitacional”, dice Chiara Mingarelli, autora principal del nuevo estudio. “Y como los púlsares que estudiamos están a unos 3.000 años luz de distancia, actúan como un detector de ondas gravitacionales a escala galáctica”.

Las ondas gravitacionales a menudo se crean cuando los agujeros negros se fusionan

Las colisiones entre los agujeros negros supermasivos provocarían ondas gravitacionales de frecuencia más baja, objetos que son hasta miles de millones de veces más masivos que los que están detrás de las detecciones previas. Estos monstruos acechan en el centro de muchas galaxias, por lo que sus colisiones podrían marcar el gran final de dos galaxias fusionándose en una sola.

Para predecir cuándo y dónde ocurrirán estas fusiones, el nuevo estudio recorrió el cielo en busca de los candidatos más probables. Estos incluirían galaxias que tienen más probabilidades de albergar dos agujeros negros supermasivos, y luego cuáles de ellos son más propensos a fusionarse. Para resolver todo esto, el equipo utilizó los datos de la encuesta 2-Micron All-Sky Survey (2MASS) y los combinó con las tasas de fusión de galaxias obtenidas del proyecto de simulación Illustris.

De las 5.000 galaxias que estudiaron, los astrónomos se redujeron en aproximadamente 90 que probablemente tengan pares de agujeros negros supermasivos en el proceso de fusión. El equipo también resolvió las ventanas del tiempo durante cuánto tiempo tuvimos que medirlas, y descubrió que depende del tamaño de los objetos. Los agujeros negros más grandes producen ondas gravitacionales más fuertes pero ocurren más rápido, lo que significa que “solo” tenemos aproximadamente 4 millones de años para detectarlos. Mientras tanto, las fusiones más pequeñas pueden suceder durante más de cien millones de años.

“Al expandir nuestro conjunto de sincronización de púlsares en los próximos 10 años más o menos, hay una alta probabilidad de detectar ondas gravitatorias desde al menos un binario supermasivo de agujero negro”, dice Mingarelli.

Los investigadores esperan que la matriz también nos pueda enseñar cómo se forman las galaxias y qué sucede cuando se fusionan, lo que podría ser información útil, considerando que estamos en camino de una colisión con nuestra vecina galaxia de Andrómeda .

La investigación fue publicada en la revista Nature Astronomy .

Fuente: NASA JPL

noviembre 14, 2017