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Ondas gravitacionales bajo la lupa

Hasta el momento, LIGO y VIRGO han detectado 11 eventos de ondas gravitacionales, las ondas en el espacio-tiempo que han viajado hacia nosotros a través colisiones violentas entre agujeros negros y estrellas de neutrones. A medida que se realicen las actualizaciones y se pongan en marcha nuevos detectores, esperamos ver decenas de este tipo de eventos en los próximos años. Esto es algo emocionante por derecho propio, pero los autores de hoy han agregado otra capa de intriga a estas futuras detecciones: es posible que puedan contarnos lo que hay entre nosotros y estas fusiones, que podrían incluir estrellas, restos de galaxias o incluso agujeros negros primordiales.

¿Qué es un microlente gravitacional?

La idea es que a medida que una onda gravitatoria viaja hacia nosotros, después de producirse por un evento realmente violento como una fusión de un agujero negro, tiene que atravesar toda la estructura que encuentra en su camino de viaje hacia nuestros detectores en la Tierra. Si la estructura es lo suficientemente masiva, el espacio-tiempo a su alrededor será curvo (ver aquí para una demostración clásica) y la señal de onda gravitacional que aparece en nuestros detectores se distorsionará. Cuando los objetos son relativamente pequeños, este proceso se conoce como microlente gravitacional (microlensing, en inglés) y los objetos que provocan la distorsión se conocen como los lentes o amplificadores.

Por lo general, el microlente se realiza con la luz de galaxias cercanas; buscamos curvas de luz distorsionadas en nuestros telescopios causadas por los objetos que pasan entre nosotros y la galaxia (consulte aquí, aquí y aquí, algunos astrobitos/astrobites sobre microlentes regulares). Ocurre exactamente lo mismo con las ondas gravitacionales, excepto que es la forma de la onda gravitacional que se desfigura. Se produce un patrón de interferencia porque el lente nos hace ver más de una “imagen” de la onda gravitacional. Estas imágenes están separadas por demoras de tiempo y, por lo tanto, interfieren entre sí cuando detectamos la señal de la onda gravitacional. Los lentes de masa estelar son de particular interés para los autores de hoy. Cualquier cosa alrededor de entre 1 y 100 masas solares podría actuar como un lente, pero hasta ahora se ha demostrado que el efecto en la señal de onda gravitacional es modesto para lentes tan pequeños, porque los retrasos entre varias imágenes son muy cortos (poca interferencia). Sin embargo, el artículo de hoy sostiene que una vez que se tiene en cuenta el hecho de que el lente está colocado sobre otras estructuras, tal vez dentro de un cúmulo o una galaxia, el efecto puede ser mucho mayor.

Estratificando lentes

Los autores calculan el efecto de la estructura general de la galaxia, grupo de galaxias o cúmulo en una onda gravitacional que pasa a través de ella, y luego agregan el efecto de diferentes tipos de lentes de masa estelar en la parte superior. Ellos encuentran que generalmente dos imágenes de la onda gravitacional son producidas por la estructura a gran escala, y luego estas imágenes son divididas en más imágenes por el lente pequeño (lente de masa estelar). Por lo tanto, los retardos de tiempo entre las señales de ondas gravitacionales se amplifican y puede aparecer un patrón de interferencia en nuestros detectores. El patrón depende del tipo de lente: como se muestra en la Figura 1, donde la línea sólida negra es una señal de onda gravitacional sin sentido, y las líneas discontinuas de colores son las señales distorsionadas de diferentes tipos de lentes. Las letras corresponden a diferentes microlentes, mientras que los signos positivos y negativos indican diferentes modelos para la estructura general o “macromodelo”.

Figura 1: La tensión de una señal de onda gravitacional de dos agujeros negros que se fusionan en función del tiempo. La línea negra continua muestra la señal sin uso del lente, mientras que las líneas de colores discontinuas son diferentes señales con lentes diferentes.

Hasta el momento, este tipo de interferencia será difícil de detectar porque se produce en altas frecuencias (la frecuencia aumenta a medida que avanza a la izquierda del gráfico en la figura 1), que no están en los rangos óptimos de LIGO o VIRGO. Sin embargo, a medida que se activen nuevos detectores con sensibilidades más altas, como KAGRA en Japón y el proyecto LIGO-India, este tipo de patrones de interferencia podrán ser detectables. Será importante reconocer estas señales, ya que si el lente se debe a fuentes astrofísicas regulares como estrellas o galaxias, entonces muchas ondas gravitacionales serán inevitablemente amplificadas y corremos el riesgo de perder muchos eventos si no buscamos este tipo de distorsiones. Sin embargo, si el lente se realiza mediante algo más exótico, como un agujero negro primordial, la detección de este tipo de patrón de interferencia podría allanar el camino para un descubrimiento importante.

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