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Más sobre GW170817: Palomitas de maíz de agujeros negros y el fondo de ondas gravitacionales

El 17 de Agosto del 2017, un evento cósmico fue observado por primera vez a través de ambas ¡las ondas gravitacionales y electromagnéticas!. El evento nombrado GW170817 -fue producido por la colisión cataclísmica de dos estrellas de neutrones. Ciertamente, no hay escasez de artículos escritos sobre esta histórica detección de multi-mensajero. Aquí está la lista de 67 pre-impresiones lanzadas el día del anuncio de la coalescencia de las estrellas de neutrones binarias. En este astrobito, vamos a discutir las implicaciones de GW170817 para el fondo de onda gravitacional estocástica, que es la señal de onda gravitacional aleatoria generada por una gran cantidad de fuentes débiles no resueltas.

Fondo de fusión de binarias compactas

Por primera vez, confirmamos que la detección de la fusión de estrellas de neutrones es de hecho una fuente de ondas gravitatorias en el universo. Esto se suma a los eventos de coalescencia de agujeros negros, que ya hemos detectado gravitacionalmente varias veces. Los eventos de fusión que son potentes y/o cercanos se pueden detectar como fuentes individuales, como GW170817. Muchos eventos de fusión distantes tendrán un umbral inferior, lo que significa que no serán lo suficientemente fuertes como para ser detectados por sí solos. Sin embargo, aún contribuirán colectivamente a la radiación gravitacional que recibimos en la Tierra. Por lo tanto, es probable que las fuentes débiles e irresolubles se puedan detectar en masa como una señal de onda gravitacional de fondo en el cielo, similar a la radiación de fondo cósmico de microondas. Este fondo es la superposición de muchos eventos aleatorios e independientes que produciría una señal similar a la estática; por lo tanto, lo llamamos el fondo estocástico de  ondas gravitacionales, porque solo se puede caracterizar estadísticamente. Se espera que la señal debida al fondo estocástico de ondas gravitacionales sea mucho más débil que el ruido del detector. Afortunadamente, podemos separar la señal del ruido al correlacionar de forma cruzada los datos de múltiples detectores; se ha demostrado que siempre podemos aumentar la relación señal a ruido al correlacionar las salidas de dos detectores de ondas gravitacionales durante un período de tiempo suficientemente largo.

A partir de los cinco eventos de coalescencia de agujeros negros (GW150914, GW151226, LVT151012, GW170104 y GW170814) que hemos observado hasta ahora, ya hemos estimado la tasa de fusiones de agujeros negros en el universo. Del mismo modo, a partir de la reciente detección de coalescencia de estrellas de neutrones (GW170817) únicamente , obtenemos una tasa de fusión de estrella de neutrones binarias. Estas tasas nos indican con qué frecuencia se producen los eventos de fusión débiles e irresolubles que contribuyen al fondo estocástico. Por lo tanto, podemos usarlos para estimar la amplitud del fondo gravitacional estocástico. Hasta que se observó el reciente evento de fusión de estrella de neutrones, la tasa de fusión de estrellas de neutrones era incierta, pero GW170817 nos ha permitido obtener una estimación de la contribución de las estrellas de neutrones binarias al fondo de ondas gravitacionales estocásticas: lo que resulta es que contribuyen significativamente.

Cuando agregamos la contribución de las estrellas de neutrones binarias (BNS, por sus siglas en inglés de ‘Binary Neutron Stars’ ) de fondo (Ω BNSGW = 0.7 x 10-9) al fondo de agujeros negros binarios (BBH, por sus siglas en Inglés de ‘Binary Black Holes, ΩBBHGW = 1.1 x 10-9) casi duplicamos la amplitud esperada  (ΩtotalGW = 1.8 x 10-9) en la banda de frecuencias más sensible a fondos estocásticos (cerca de 25 Hz, ver Figura 1). ¡Crucialmente, debido a que las fusiones de BNS suman una parte considerable de la amplitud de la señal, podríamos detectar el fondo de ondas gravitacionales mucho antes de lo que se había anticipado basándonos solo en las estimaciones de BBH!

Figura 1: Fondo predicho para estrellas de neutrones binarias  (rojo), agujeros negros binarios (verde) y el fondo total (azul). La región sombreada gris indica las barras de error para el fondo total. Las curvas negras son las curvas de sensibilidad para observar las sesiones de observación (O2 y O3) y la sensibilidad del diseño. Figura 1 del artículo original.

 

“Palomitas de maíz” de agujeros negros

Aunque los fondos de BNS y BBH tienen amplitudes de señal similares, tienen un carácter muy diferente. La forma de onda de una fusión de estrellas de neutrones es larga en relación con el tiempo transcurrido entre los eventos de fusión. Por lo tanto, los eventos BNS generan un fondo continuo resultante de una acumulación de fuentes que se superponen en el tiempo (ver Figura 2). En contraste, las formas de onda de fusión de agujeros negros individuales son más cortas y es poco probable que se superpongan, produciendo un fondo con picos repentinos que están bien separados en el tiempo (ver Figura 2) – ¡como palomitas de maíz brincando intermitentemente mientras se calientan!

Series temporales simuladas para las señales de fondo BBH (verde) y BNS (rojo). Figura 2 del artículo original.

 

Una vez que se detecta un fondo de ondas gravitacionales astrofísicas, nos gustaría determinar la naturaleza precisa de su composición; las diferentes propiedades de las series de tiempo para los fondos BBH y BNS pueden permitirnos desenredarlas entre sí.

¿Cuándo detectaremos el fondo?

Probablemente la pregunta más importante que se responde en este artículo es: ¿cuándo realmente observaremos este fondo? La colaboración LIGO/VIRGO ha determinado que un fondo de ondas gravitacionales astrofísicas podría detectarse a un nivel estadísticamente significativo después de 18 meses de tiempo de observación. Sin embargo, este es el caso más optimista posible. ¡Felizmente, hay razones para creer que podríamos detectarlo incluso antes! Es probable que existan fusiones de objetos compactos adicionales (además de BBH y BNS), por ejemplo,  binarias de agujero negro-estrella de neutrones, que podrían aumentar aún más la señal de fondo. Además, búsquedas especializadas que han sido inteligentemente diseñadas especialmente para la tarea de detección del fondo de ondas gravitacionales podrían ser más sensibles a la señal.
Buscar un chirrido individual y resoluble en los datos de LIGO es como buscar una aguja en un pajar; la mayoría de los datos no tienen interés y se descartan, con la excepción del pequeño volumen de datos que contiene el chirrido. Por el contrario, para analizar el fondo estocástico, todos los datos son útiles. En este sentido, detectar el fondo sería un serio avance para la física de las ondas gravitacionales.

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  1. Pingback: Cazando ondas gravitacionales provenientes del giro de estrellas de neutrones | Astrobites en español - 02/02/2018

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