Descubriendo sistemas triples con ondas gravitacionales

• Título del artículo original: Detecting triple systems with gravitational wave observations
• Autores: Yohai Meiron, Bence Kocsis, Abraham Loeb
• Institución del primer autor: Institute of Physics, Eötvös University, Budapest, Hungría.
• Estado de la publicación: Publicado en The Astrophysical Journal el 13 de enero de 2017.
• Astrobite original: Triple Threat: Uncovering Triple Systems with Gravitational Waves, por Lisa Drummond.

La colaboración LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) ha recibido mucha prensa en los últimos años, debido a las pioneras detecciones de ondas gravitacionales (GWs, por sus siglas en inglés) provenientes de la fusión de agujeros negros binarios (¡y más recientemente de la fusión de dos estrellas de neutrones!), captando la emoción de la comunidad astrofísica y del público general por igual. Todos los eventos detectados hasta ahora se produjeron por la fusión de las componentes de sistemas binarios compactos. Esta serie de descubrimientos plantea la pregunta – ¿dónde están las ondas gravitacionales producidas por sistemas triples? Estos últimos no son inusuales en astrofísica – pero ¿cómo distinguiríamos la señal de una fusión de una binaria compacta estándar de una producida por una binaria compacta en órbita alrededor de una tercera compañera? El artículo de hoy ataca esta pregunta por medio de la identificación de características de los sistemas triples que estarían presentes en la señal de la GW.

¿Qué es un sistema triple jerárquico?

Los sistemas triples consisten en tres cuerpos celestes orbitándose simultáneamente. Éstos presentan usualmente una estructura jerárquica: dos de los objetos forman una binaria cercana, llamada binaria interna, mientras que la tercera compañera yace en las afueras, orbitando a una distancia que excede por mucho la longitud de separación de la binaria interna.

Figura 1: Esquema de un sistema estelar triple jerárquico. La binaria interna (denotada con flechas amarillas) orbita una tercera compañera (flechas azules). Fuente: http://wondergressive.com/triple-star-system-new-gravity/.

Los sitemas triples jerárquicos son predominantes en astrofísica – en efecto, ¡vivimos en uno! El sistema Tierra-Luna_sol es el sistema triple más antiguo que hemos estudiado. Su estructura jerárquica es clara: podemos fácilmente descomponer el sistema en dos problemas de dos cuerpos: Tierra-Luna y Sol-Tierra. Hay buenas razones para la presencia de esta estructura jerárquica en los sistemas de tres cuerpos: eliminar esta estructura rápidamente da lugar a inestabilidades y situaciones caóticas. Los sistemas triples sin jerarquía no duran mucho tiempo (la tercera componente es eyectada o dos de los cuerpos colisionan) por lo cual son difíciles de observar. La emergencia del caos en el problema de los tres cuerpos es un tópico que ha fascinado a los científicos interminablemente – a diferencia del problema de dos cuerpos, no existe en general una solución cerrada y la evolución del sistema puede ser altamente caótica.

La posibilidad de encontrar un sistema puede variar dependiendo del ambiente astrofísico que lo rodea. Un proceso conocido como evolución de envoltura común donde todos los objetos compactos compartan una envoltura común de gas, puede dar lugar a la formación de sistemas triples cercanos. Se piensa que los objetos compactos que se fusionaron en los eventos detectados por LIGO se formaron en ambientes estelares densos; los sistemas triples también pueden emerger dinámicamente en estos ambientes. Es incluso posible que la influencia de una tercera compañera produzca oscilaciones de excentricidad que culminen en una fusión (efecto Kozai-Lidov). Este astrobito en inglés discute cómo interacciones entre tres cuerpos y episodios de acrecimiento pueden facilitar fusiones de binarias.

Figura 2: Representación artística de un sistema triple de agujeros negros. Fuente: https://futurism.com/astronomers-find-a-galaxy-with-a-triple-black-hole-system/.

Es de esperar que se encuentren agujeros negros formando sistemas triples, a menos que ellos reciban un fuerte kick, o patada, cuando se formen. La Figura 2 muestra una representación artística de esta situación. Los agujeros negros internos son quienes producirán GWs intensas al fusionarse, mientras que el tercer compañero generará perturbaciones en la señal detectada. El artículo de hoy explica justamente cómo serían tales perturbaciones.

Modificaciones en la señal de ondas gravitacionales por un tercer agujero negro

Podemos plantear una analogía entre un púlsar binario y un sistema jerárquico triple de objetos compactos. En el primer caso, el pulso emitido es modulado por la órbita del púlsar alrededor de su compañero. Similarmente, la señal de GWs emitida por la binaria interna del segundo escenario será modulada por su órbita alrededor de la tercera componente. Ésta agregará un tiempo de retraso en la señal. En terminología de púlsares binarios, estos retrasos pueden ser clasificados en tres grupos: Rømer, Einstein and Shapiro. Por ejemplo, el retardo de Einstein, , es debido a la dilatación temporal y al corrimiento al rojo gravitacional asociado a la tercera compañera, mientras que el retardo de Shapiro, , da cuenta del efecto del paso de la señal por el pozo de potencial de la tercera componente.

Figura 3: Esquema del sistema triple jerárquico considerado. La separación de la binaria interna disminuye a medida que esta emite GWs. La señal se corre al azul (rojo) cuando la binaria se está acercando (alejando) del observador. Fuente: artículo original.

La contribución más importante es, como en el caso de los púlsares, la variación de la distancia de la línea de la visión entre el observador y la fuente a medida que la binaria interna orbita la tercera componente, resultando en un corrimiento en el tiempo de arribo de la señal, que es lo que se conoce como retardo de Rømer, . La Figura 3 muestra cómo la longitud del camino que la señal necesita viajar para alcanzar al observador varía en el tiempo mientras la binaria orbita la tercera componente; la órbita da lugar a un corrimiento al azul (rojo) cuando la binaria se acerca (aleja) al observador. El retardo de Shapiro es un efecto secundario respecto al de Rømer; éste puede notarse cuando la tercera componente es significativamente grande (por ejemplo, un agujero negro de masa intermedia o supermasivo). El corrimiento al rojo gravitacional que varía en el tiempo, retardo de Einstein, también puede ser importante en muchos casos.

LIGO + LISA: detección multibanda

Figura 4: Un ejemplo de un sistema triple siendo detectado tanto por LIGO como por LISA. Fuente: artículo original.

Una asombrosa consecuencia de estos efectos en sistemas triples es la posibilidad de ¡detectar la señal en distintas bandas de frecuencia y en diferentes detectores! LIGO es el detector de GWs en tierra del momento, mientras que LISA es un detector espacial a ser lanzado en los próximos años (contamos con el inmenso éxito de la misión LISA Pathfinder que demuestra la efectividad de la tecnología) que detectará ondas gravitacional de longitud de onda más grande. Podemos aprovechar ambos detectores para un sistema simple de objetos compactos de la siguiente manera: cuando la binaria interna se fusiona y produce GWs en la banda de frecuencia de LIGO, los efectos de la tercera componente pueden ser detectados simultáneamente por LISA (ver Figura 4). Luego, una vez que la separación de la binaria externa es suficientemente pequeña, ¡la tercera componente puede también fusionarse y emitir GWs en la banda de LIGO! Teniendo distintas detecciones coincidentes para el mismo sistema se puede estimar parámetros con extrema precisión – ¡además de ser una increíble hazaña en sí misma!