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Cazando ondas gravitacionales provenientes del giro de estrellas de neutrones

Astrobites ha reportando extensivamente las ondas gravitacionales de la coalescencia de binarias compactas (CBCs, por sus siglas en inglés) –mira aquí, aquí y aquí. Las CBCs involucran pares de estrellas masivas, objetos compactos tales como estrellas de neutrones y agujeros negros girando uno alrededor del otro y colindando. Sin embargo, ¡estas colisiones cataclísmicas no son los únicos eventos que pueden producir ondas gravitacionales! En el último año, LIGO publicó un artículo reportando las investigaciones para otro tipo de radiación gravitacional: las ondas gravitacionales continuas. Las ondas continuas son probablemente producidas por el giro de estrellas de neutrones con algún tipo de asimetría rotacional. Una investigación utilizando cuatro diferentes aproximaciones fue llevada acabo peinando cuidadosamente los datos de la primera campaña de observación de LIGO (Observing Run 1, O1).

Ondas gravitacionales continuas

Las ondas gravitacionales continuas son otro tipo de señal que podrían ser observadas por detectores de ondas gravitacionales tales como LIGO. Esto es en parte debido a su bien definida frecuencia constante (mirar Figuras 1 y 2). Esperamos que estas señales sean relativamente débiles en relación a las señales de trayectorias espirales o fusiones generadas por la violenta coalescencia de agujeros negros binarios o estrellas de neutrones. Las fuentes de ondas continuas emiten un débil ruido de fondo,  en comparación con los “chirridos” transitorios fuertes producidos por los eventos de fusión de binarias que hemos escuchado hasta ahora.

Figura 1: Un esquema de frecuencia vs. tiempo para diferentes tipos de señales de ondas gravitacionales. Los estallidos se muestran en rojo, las ondas continuas en verde, los chirridos y bajadas en azul y el fondo estocástico en amarillo. Imagen tomada de http://slideplayer.com/slide/8668381/

 

 

Figura 2: Un ejemplo de señal de onda gravitacional continua vs. tiempo. Imagen tomada de https://www.ligo.org/science/GW-Continuous.php

Las ondas gravitacionales continuas no han sido detectadas; su primera detección sería un gran descubrimiento para la ciencia de las ondas gravitacionales, también nos proporcionaría información valiosa acerca de las objetos astrofísicos que generan la señal. Entonces, ¿cuáles son las posibles fuentes de ondas gravitacionales periódicas y continuas?

Estrellas de neutrones abultadas en rotación

Se espera que las estrellas de neutrones en rotación (o púlsares) sean una fuente de ondas gravitacionales continua. Las estrellas de neutrones son increíblemente densas, objetos compactos formados en el punto final de la evolución en estrellas de secuencia principal y pueden rotar hasta varios cientos de veces por segundo. Tradicionalmente, observamos púlsares utilizando un haz de radiación que ellos proyectan, el cual periódicamente barre la Tierra (como un faro) conforme la estrella rota (ver Figura 3).

 

Figura 3: Un púlsar (púrpura) barre periódicamente un haz de radiación hacia la Tierra como un faro. Imagen tomada de: https://www.ligo.org/science/Publication-S6VSR24KnownPulsar/, crédito: Michael Kramer (JBCA, Unversity of Manchester).

 

Si pudiéramos detectar estrellas de neutrones con ondas gravitacionales, adquiriríamos información a través de un proceso físico enteramente diferente (gravedad en vez de electromagnetismo). Esto podría arrojar luz sobre rompecabezas sin resolver sobre los interiores de las estrellas de neutrones. Además, las ondas gravitacionales podrían ser un medio para descubrir la población invisible de las estrellas de neutrones en la Vía Láctea (las estimaciones sugieren que hay 100 millones de estrellas de neutrones en nuestra galaxia) que no podemos observar a través de radiación pulsante – hay que tener en mente,  que podemos detectar un pulsar electromagnéticamente solo si el haz de luz barre precisamente sobre nuestro planeta, dejando muchos sin ser detectados.

Sin embargo, las estrellas de neutrones deben exhibir ciertas propiedades para ser detectables a través de ondas gravitacionales.  Una estrella de neutrones perfectamente esférica y simétrica no debería producir ondas gravitacionales continuas conforme rota  –  necesitaría mantener una asimetría de larga duración. Más importante, esta simetría de distorsión no puede ser alineada con respecto al eje de rotación (no axisimétrica).

Hay muchos mecanismos propuestos que podrían sustentar una no asimetría sobre un extendido periodo de tiempo, incluyendo: (i) montañas sobre la superficie de la estrella de neutrones (ver figura 4), (ii) distorsiones asociadas con la estrella de neutrones formando parte de una binaria acretando (un ejemplo canónico es Scorpius X1, una binaria de rayos x de baja masa) y (iii) un movimiento tambaleante de la estrella (esto es, precesión) debido a la desalineación del eje principal del momento de inercia y el eje de rotación.

 

 

Figura 4: Esquema de una “montaña” sobre una estrella de neutrones giratoria que genera ondas gravitacionales continuas. Imagen tomada de: https://physics.anu.edu.au/quantum/cgp/research/datatheory/neutronstars.php

Buscando los datos de LIGO 01

En esencia, queremos simplemente extraer una señal periódica de los datos. Las transformadas de Fourier (en particular el eficiente algoritmo de la trasformada rápida de Fourier) son herramientas poderosas para completar esta tarea. Sin embargo, no podemos solo aplicar la transformada de Fourier a la totalidad de los datos y dejarlos así – existen un número de complicaciones.

Por ejemplo, debemos tener en cuenta el movimiento relativo de la Tierra respecto al baricentro del Sistema Solar y la modulación resultante de esta señal. En el caso en el que la posición de la fuente en el cielo es desconocida, dos parámetros adicionales (coordenadas celestes) son introducidos al espacio de parámetros, incrementando la carga computacional de la búsqueda. Con estos retos, nuestra búsqueda está limitada por la cantidad de potencia computacional disponible. Además, para algunas fuentes (ejemplo, Scorpius-X1), la frecuencia de rotación intrínseca de la fuente puede variar durante la búsqueda a medida que la estrella de neutrones acretando es agitada hacia arriba o hacia abajo en el sistema binario. Cualquier algoritmo que se use para estas fuentes tiene que ser robusto contra la rotación cambiante.

Podemos clasificar la búsqueda de las ondas continuas por la cantidad de información a la que podemos acceder:

  • Fuentes de apuntado. La frecuencia, el cambio de frecuencia y la posición de la fuente son conocidas.
  • Búsquedas directas. La posición de la fuente es conocida. Por ejemplo, este tipo de búsqueda es aplicable a estrellas de neutrones acretando en sistemas binarios tales como Sco-X1.
  • Búsquedas en todo el cielo. Las posiciones y los parámetros de las fuentes no son conocidos y el espacio de parámetros de búsqueda es enorme.

LIGO empleó cuatro diferentes algoritmos para analizar los datos O1, todos los cuales provienen de una búsqueda en todo el cielo. Estos fueron:

  • Cadena de programas Powerflux
  • Cadena de programas FrequencyHough
  • Cadena de programas SkyHough
  • Cadena de programas estadística F.

La sensibilidad de la búsqueda es la amplitud h0  de la señal de la onda gravitacional que puede ser detectada con confianza, esto es, 95% de la señales a esa amplitud que deberían ser detectadas. Esta cantidad es denotada como h095%. Los límites superiores de sensibilidad producidos por cada uno de los algoritmos se presentan para comparación en la Figura 5.

 

Figura 5: Comparación de límite superior de las diferentes cadenas de programas de búsqueda. Cada curva corresponde a una amplitud  de la señal de la onda gravitacional a la cual el 95% de las señales simuladas podrán ser detectadas. Figura 21 en el artículo técnico.

 

¿Hemos detectado ondas gravitacionales continuas?

La respuesta es no.  LIGO no ha encontrado evidencia de ondas gravitacionales continuas – aún. Sin embargo,  las mejoras a los detectores de los instrumentos de LIGO han aumentado la sensibilidade tres veces en el rango de frecuencias relevante y las actualizaciones adicionales podrían producir una mejora adicional en la sensibilidad. Entonces, ¡la detección de las ondas gravitacionales continuas podrían estar sobre el horizonte! Con la detección de una onda gravitacional continua podríamos empezar a explorar la población de estrellas de neutrones invisibles mientras ganamos nuevos conocimientos  de sus exóticos interiores y su evolución.

 

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