Ondas gravitacionales multicolor

• Título: Prospects for Multiband Gravitational-Wave Astronomy after GW150914
• Autor: Alberto Sesana.
• Institución: School of Physics and Astronomy, University of Birmingham.
• Estado: Publicado en PRL.

Hace unos meses, discutimos en este foro la primera detección directa de ondas gravitacionales, perturbaciones en el espacio-tiempo que se producen, por ejemplo, por la fusión de dos objetos muy masivos. Las ondas gravitacionales fueron predichas por Einstein en su teoría de relatividad general, pero hasta fines de 2015, sólo teníamos evidencia indirecta de su existencia. Gracias a LIGO, ahora somos capaces de detectarlas directamente, poniendo a prueba no sólo la teoría de la relatividad general, sino también nuestros modelos de la formación y abundancia de agujeros negros en el Universo. La primera detección directa de ondas gravitacionales ocurrió en septiembre de 2015, y fue asociada con la fusión de dos agujeros negros de varias decenas de masas solares. (Hace poco, en un astrobito, describimos el descubrimiento de LIGO usando física básica.)

LIGO ciertamente continuará su búsqueda y revolucionará la astrofísica a través de esta nueva ventana al Universo que ofrecen las ondas gravitacionales. LIGO tiene máxima sensibilidad para frecuencias de alrededor 200 Hz, lo cual permite detectar fenómenos tales como: colisiones o fusiones de agujeros negros o estrellas de neutrones, estrellas de neutrones en rotación (si su corteza está deformada), un fondo estocástico de ondas gravitacionales (que puede provenir de la época del Big Bang), u ondas relacionadas con explosiones (por ejemplo, supernovas). En los próximos años, también entrará en funcionamiento eLISA, un interferómetro espacial que consiste en tres naves en configuración triangular que intercambian señales de láser entre ellas a través de una distancia de 1 millón de kilómetros. En comparación con LIGO, eLISA puede acceder a frecuencias de ondas gravitacionales de entre 0.1 mHz y 1 Hz, las cuales no pueden medirse desde la Tierra debido a limitaciones en el tamaño de los detectores y “ruido” gravitacional. En el caso de eLISA, estas frecuencias permitirían detectar: la fusión de agujeros negros masivos en el centro de las galaxias, objetos compactos orbitando agujeros negros masivos, estrellas binarias compactas en nuestra galaxia y quizás también ondas gravitacionales de origen cosmológico.

Pero existe un régimen en el cual LIGO y eLISA pueden complementarse de acuerdo con el autor de éste paper. El autor se pregunta qué podremos ganar de combinar los datos de diferentes bandas de frecuencia de LIGO y eLISA. Podemos hacer una analogía con otros fenómenos en astronomía para los cuales usar información en múltiples bandas es útil. Por ejemplo, si pensamos en observaciones de galaxias, acceder a diferentes mediciones de la galaxia en distintas bandas del espectro electromagnético nos permite caracterizar propiedades tales como la masa de la galaxia, la cantidad de polvo interestelar, la distribución del gas o la tasa de formación estelar. De manera similar, la astronomía de ondas gravitacionales podría beneficiarse de un enfoque “multicolor”. La analogía en este caso es quizás más directa en términos de sonidos de diferentes frecuencias, más que colores de distintas longitudes de onda.

Imaginemos dos agujeros negros como los que fueron detectados por primera vez por LIGO orbitando alrededor de un centro de masa común. A medida que el sistema pierde energía por la emisión de ondas gravitacionales, cerrando la órbita y eventualmente fusionándose, la frecuencia de las ondas aumenta. En la figura, se muestra, por ejemplo, cómo puede haber sido la evolución de la frecuencia de las ondas emitidas por el sistema de agujeros negros a medida que se acerca el momento de la fusión (curva negra). Claramente, este sistema se encuentra por arriba de la sensibilidad actual de LIGO (en amarillo rayado) y es por eso que pudo ser detectado. Si eLISA hubiese estado en funcionamiento, podría haber visto este mismo sistema emitiendo ondas gravitacionales varios años antes de la fusión, ya que la curva negra también se encuentra  por encima de la sensiblidad de eLISA (en rosa) a bajas frecuencias.

Asimismo, el autor usa un modelo que describe cuán frecuentes son las fusiones de agujeros negros y qué tipo de señales producen para mostrar dónde se ubican en esta figura. Se puede observar que en muchos casos, eLISA podría tener una primera detección de la fusión varios años antes que LIGO. Eso permitiría planificar mejor las mediciones de LIGO. También permitiría coordinar la observación del evento con otros telescopios buscando emisión de luz coincidente con el evento, ya que eLISA podrá determinar de dónde viene la señal en el cielo con una incerteza de 1 grado cuadrado y determinar el momento de detección con incertezas de 10 segundos. (La emisión de luz podría ocurrir si los agujeros negros están rodeados de un disco de gas).  Dado que eLISA podría determinar las masas de los agujeros negros con mucha precisión, esto también llevaría a poner a prueba la teoría de la relatividad general a un nivel sin precedentes.

Todo depende del diseño final de eLISA; el autor describe en detalle qué configuraciones precisas permitirían que la astronomía “multicolor” de ondas gravitacionales pueda llevarse a cabo. Un experimento de ondas gravitacionales ya ha hecho historia, pero la combinación de LIGO y eLISA podría ser aún más poderosa.

Astronomía de ondas gravitacionales multo-frecuencia. En el gráfico se muestra la amplitud de las ondas gravitacionales en función de la frecuencia, junto con las curvas de sensibilidad de eLISA y LIGO. En más detalle: las curvas amarillas representan la sensibilidad de LIGO (la actual es la rayada); las curvas rosas representan la sensibilidad esperada de eLISA (dependiendo de la configuración exacta que se adopte). La curva negra es un modelo que muestra cómo pudo haber evolucionado la emisión de ondas gravitacionales por parte del sistema de agujeros negros detectado por primera vez por LIGO. Las curvas azules son posibles evoluciones de otros sistemas binarios de agujeros negros. La nube de puntos turquesa a 0.01Hz representa otras fuentes que podrán ser detectadas con eLISA. La banda azul en la esquina izquierda inferior corresponde a un modelo para el “ruido”. Esta figura nos dice que eLISA podría haber detectado el sistema de agujeros negros años antes que LIGO, si hubiese estado en funcionamiento. Figura 1 del paper.