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¿Qué tan excéntricas son las estrellas de neutrones que colisionan?

Título del artículo técnico: Measuring the eccentricity of GW170817 and GW190425

Autores: Amber K. Lenon, Alexander H. Nitz, Duncan A. Brown

Institución del primer autor: Department of Physics, Syracuse University, Estados Unidos

Estado: Enviado a MNRAS

Astrobite original: How Excentric are Colliding Neutron Stars? por Brent Saphiro-Albert

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A pesar de retornar a publicar nuestro contenido usual, queremos recordarles a nuestros lectores que continuamos firmemente comprometidos a fomentar una comunidad diversa e inclusiva. Tal como fue estipulado en nuestra declaración, nos encontramos organizando iniciativas para visibilizar comunidades sub-representadas en la astronomía.

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Imagen destacada: Representación artística de la colisión de dos estrellas de neutrones. Crédito: National Science Foundation/LIGO/Sonoma State University/A. Simonnet .

El 17 de agosto de 2017 el observatorio de interferómetro láser de ondas gravitacionales (LIGO, por sus siglas en inglés), en conjunto con VIRGO, detectó ondas gravitacionales provenientes de la fusión de un par de estrellas de neutrones por primera vez. Esta detección se llamó GW170817, y abrió paso a una nueva era de astronomía multimensajera, donde la luz de todas las longitudes de onda, desde los rayos gamma, al rango óptico o al radio de la kilonova resultante fue detectada proveniente del mismo lugar en cielo donde la fusión ocurrió. Desde entonces LIGO y VIRGO detectaron una fusión más de estrellas de neutrones el 25 de abril de 2019, llamada GW190425. Esta fusión de estrellas de neutrones no fue asociada con ninguna radiación electromagnética, pero es apenas la segunda jamás detectada.

Figura 1: Fotografía aérea del detector de ondas gravitacionales de LIGO en Livingston, Luisiana. Crédito: Caltech, MIT, LIGO Lab.

A partir de la señal de ondas gravitacionales de estas fusiones, podemos determinar muchas propiedades del sistema binario de estrellas de neutrones, incluyendo qué tan lejos están, qué tan rápido están girando, y sus masas. Una asunción hecha cuando se examinan los datos de ondas gravitacionales en busca de fusiones de estrellas de neutrones es que la órbita binaria tiene una baja excentricidad, de menos de 0.05, indicando que es bastante circular. Sin embargo, las estrellas de neutrones binarias pueden llegar a tener órbitas altamente elípticas, con excentricidades de hasta 0.828. Aunque se predice que las estrellas de neutrones binarias se encontrarán en órbitas muy circulares cuando se fusionen, es importante ser capaces de medir qué tan elípticos son estos sistemas cuando están cerca de fusionarse para determina qué tanto puede afectar esto la detectabilidad de las señales de las ondas gravitacionales de futuras fusiones de estrellas de neutrones. Esto llevó a los autores de este artículo a medir la eccentricidad de los dos eventos de fusión de estrellas de neutrones detectados, GW170817 y GW190425.

¿Cómo medir la excentricidad a partir de las ondas gravitacionales?

Para medir la excentricidad de estas fusiones de estrellas de neutrones binarias, los autores toman ventaja de dos estrategias estadísticas. La primera es la inferencia bayesiana, la cual compara qué tanto más verosímil es para un cierto modelo el ajustarse a los datos respecto a otro modelo diferente. Aquí los autores utilizan esto para determinar qué tanto más verosímil es un conjunto de valores de parámetros de un modelo, incluyendo la excentricidad, con respecto a otro conjunto. Para poner a prueba diferentes conjuntos de parámetros, usaron un método llamado Monte Carlo vía Cadenas de Markov (también conocido como MCMC, por sus siglas en inglés). Por cada conjunto de parámetros muestreados, calcularon cómo de verosímil es el nuevo conjunto respecto al conjunto previo usando la inferencia bayesiana. Si el nuevo conjunto de parámetros es más verosímil, lo registraban. Luego probaban otro conjunto contra el que acababan de registrar, de una manera similar, y continuaban de esta forma hasta que tenían una distribución de parámetros “aceptados” o más probables (esto también es conocido como probabilidad a posteriori).

Una vez tuvieron un conjunto de valores a posteriori, los autores usaron el valor de la mediana de la distribución de cada parámetro para determinar el valor más probable (ver figura 2). Una cosa que los autores destacan es que conforme las estrellas de neutrones siguen una espiral hacia adentro, la excentricidad de la órbita cambia, de tal forma que el valor de la excentricidad que miden es en el instante en que las estrellas de neutrones tienen una frecuencia orbital de 10 Hz, o diez órbitas completas por segundo.

Figura 2: Distribución a posteriori de cada parámetro de los modelos de estrellas de neutrones binarias para GW190425. Cada fila y/o columna corresponde a un parámetro diferente. M es la masa “chirp”, e es la excentricidad, η es la razón de masa simétrica, q es la razón de masa, y χeff es el espín efectivo. La distribución en gris sólido encima de cada columna muestra la distribución total de toda la muestra de valores del parámetro. La línea roja sólida es la mediana y las líneas rojas a trazos muestran los intervalos de confianza del 90%. Estos valores se reportan en el texto encima de cada columna. Cada cuadrado con puntos muestra cómo los correspondientes parámetros se relacionan unos con otros. En particular el cuadrado para M – e (el segundo desde arriba, en la primera columna) muestra una clara correlación entre la excentricidad y la masa de “chirp”, donde un valor más pequeño de M lleva siempre a resultados con una e mayor, y viceversa. Esta correlación es algo que no ha sido considerado en mediciones similares anteriores. (Figura 2 del artículo).

Así que ¿qué tan excéntricas son estas fusiones?

Usando estas técnicas los autores encontraron que GW170817 tiene una excentricidad de 0.012+0.013-0.012 y GW190425 tiene una excentricidad de 0.025+0.022-0.025. Estos valores son consistentes con una baja excentricidad u órbita circular, pero los autores destacan que esto no es sorprendente, dado que estos eventos fueron detectados primero usando una búsqueda que asumía que eran circulares. También comparan sus resultados con los de un estudio similar y encuentran que los resultados concuerdan, pero que sus valores son mayores que aquellos del estudio previo.

Esto se debe a uno de los principales resultados de este artículo, el cual muestra una clara degeneración entre la eccentricidad y la masa chirp (N. del T.: También conocida en español como “chirrido másico”), una medida que depende de las masas de ambas estrellas de neutrones, en la búsqueda de parámetros. Esto puede verse claramente en el segundo panel desde arriba en la primera columna de la figura 2, el cual muestra que si la masa chirp es más baja, la eccentricidad debe ser mayor para ajustar el modelo de ondas gravitacionales a los datos.

Informando de futuras fusiones de estrellas de neutrones binarias

Los autores de este artículo fueron capaces de confirmar que tanto GW170817 como GW190425 tienen órbitas bastante circulares mientras que lograron armar un importante marco para medir la excentricidad de las fusiones de estrellas de neutrones binarias en el futuro. Mostraron que no solo la degeneración entre la masa chirp y la excentricidad es importante para futuras mediciones, pero también que un mejor modelado se requiere para detectar fusiones excéntricas en el futuro. No sabemos qué tipos de sistemas serán detectados por LIGO y VIRGO, pero sabemos que las búsquedas de estos sistemas excéntricos están en buenas manos.

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