Una señal de onda gravitacional única (hasta ahora)


Publicado originalmente por el Instituto Max Planck de Física Gravitacional (Instituto Albert Einstein, o AEI) en Hannover, Alemania, el 20 de abril de 2020.

Las expectativas de la comunidad de investigación de ondas gravitacionales se han cumplido: los descubrimientos de ondas gravitacionales ahora son parte de su trabajo diario, como lo identificaron en la pasada carrera de observación.O3, nuevos candidatos a ondas gravitacionales aproximadamente una vez a la semana. Pero ahora, los investigadores han publicado una señal notable diferente a cualquiera de las vistas antes:GW190412es la primera observación de una fusión de agujeros negros binarios donde los dos agujeros negros tienen masas claramente diferentes de aproximadamente 8 y 30 veces la de nuestro sol. Esto no solo ha permitido mediciones más precisas de las propiedades astrofísicas del sistema, sino que también ha permitido laLIGOyVirgocientíficos para verificar una predicción aún no probada deTeoría de la relatividad general de Einstein.


Frank Ohmees líder de un grupo de investigación independiente en Max Planck llamadoObservaciones de fusión binaria y relatividad numérica. Comentó:

Por primera vez hemos 'escuchado' en GW190412 el inconfundible zumbido de ondas gravitacionales de un armónico superior, similar a los armónicos de los instrumentos musicales. En sistemas con masas desiguales como GW190412, nuestra primera observación de este tipo, estos matices en la señal de la onda gravitacional son mucho más fuertes que en nuestras observaciones habituales. Es por eso que no podíamos escucharlos antes, pero en GW190412, finalmente podemos.

Esta observación confirma una vez más la teoría de la relatividad general de Einstein, que predice la existencia de estos armónicos superiores, es decir, ondas gravitacionales a dos o tres veces la frecuencia fundamental observada hasta ahora.Roberto Cotestaes un Ph.D. estudiante en elRelatividad astrofísica y cosmológicadivisión en el AEI en Potsdam. Él dijo:

Los agujeros negros en el corazón de GW190412 tienen 8 y 30 veces la masa de nuestro sol, respectivamente. ¡Este es el primer sistema binario de agujeros negros que hemos observado en el que la diferencia entre las masas de los dos agujeros negros es tan grande!




Esta gran diferencia de masa significa que podemos medir con mayor precisión varias propiedades del sistema: su distancia a nosotros, el ángulo en el que lo miramos y la rapidez con que el pesado agujero negro gira alrededor de su eje.

Tanto los detectores LIGO como el detector Virgo observaron GW190412 el 12 de abril de 2019, durante las primerastercera ejecución de observación O3. Los análisis revelan que la fusión ocurrió a una distancia de 1.900 a 2.900 millonesaños luzde la tierra. El nuevo sistema de masa desigual es un descubrimiento único, ya que todos los binarios observados previamente por los detectores LIGO y Virgo consistían en dos masas aproximadamente similares.

Masas desiguales se imprimen en la señal de onda gravitacional observada, lo que a su vez permite a los científicos medir con mayor precisión ciertas propiedades astrofísicas del sistema. La presencia de armónicos superiores permite romper una ambigüedad entre la distancia al sistema y el ángulo que miramos en su plano orbital; por lo tanto, estas propiedades se pueden medir con mayor precisión que en sistemas de igual masa sin armónicos más altos.Alessandra Buonannoes director de laRelatividad astrofísica y cosmológicadivisión en el AEI en Potsdam. Ella dijo:

Durante [las carreras de observación] O1 y O2, hemos observado la punta del iceberg de la población binaria compuesta de agujeros negros de masa estelar. Gracias a la sensibilidad mejorada, GW190412 ha comenzado a revelarnos una población sumergida más diversa, caracterizada porasimetría de masastan grandes como 4 y agujeros negros girando aproximadamente al 40% del valor máximo posible permitido por la relatividad general.


Los investigadores de AEI contribuyeron a detectar y analizar GW190412. Han proporcionado modelos precisos de las ondas gravitacionales de los agujeros negros en fusión que incluyeron, por primera vez, tanto la precesión de los giros de los agujeros negros comomultipolarmomentos más allá del dominantecuadrupolo. Esas características impresas en la forma de onda [el patrón ondulado que se ve en las observaciones de ondas gravitacionales] fueron cruciales para extraer información única sobre las propiedades de la fuente y realizar pruebas de relatividad general. El de alto rendimientoclústeres de computadoras MinervayHipatiaen AEI Potsdam yHolocubiertaen AEI Hannover contribuyó significativamente al análisis de la señal.

Una serie de muchas computadoras altas idénticas en forma de caja, con luces azules.

Clúster de computadoras de alto rendimiento Minerva en el AEI en Potsdam-Golm. Imagen víaAEI/ Armin Con la escuela.

Probando la teoría de Einstein

Los científicos de LIGO / Virgo también utilizaron GW190412 para buscar desviaciones de las señales de lo que predice la teoría general de la relatividad de Einstein. Aunque la señal tiene propiedades diferentes a todas las demás encontradas hasta ahora, los investigadores no pudieron encontrar una desviación significativa de las predicciones relativistas generales.


Una red internacional mejorada de detectores que utilizan luz comprimida

Este descubrimiento es el segundo informado de la tercera serie de observación (O3) de la red internacional de detectores de ondas gravitacionales. Los científicos de los tres grandes detectores han realizado varias actualizaciones tecnológicas a los instrumentos.Karsten Danzmann, director del AEI Hannover y director del Instituto de Física Gravitacional de la Universidad Leibniz de Hannover, dijo:

Durante [ejecución de observación] O3, se utilizó luz exprimida para mejorar la sensibilidad de LIGO y Virgo. Esta técnica de afinar cuidadosamente elpropiedades de la mecánica cuánticade la luz láser fue pionera en el detector germano-británico GEO600 ...

2 hecho, 54 en la lista de tareas pendientes

La red de detectores ha emitido alertas para 56 posibles eventos de ondas gravitacionales (candidatos) en la ejecución de observación O3 (1 de abril de 2019 al 27 de marzo de 2020, con una interrupción para actualizaciones y puesta en servicio en octubre de 2019). De estos 56, ya se ha publicado otra señal confirmada, GW190425. Los científicos de LIGO y Virgo están examinando los 54 candidatos restantes y publicarán todos aquellos cuyos análisis de seguimiento detallados confirmen su origen astrofísico.

La observación de GW190412 significa que los sistemas similares probablemente no sean tan raros como predijeron algunos modelos. Por lo tanto, con observaciones adicionales de ondas gravitacionales y catálogos de eventos crecientes en el futuro, se esperan más señales de este tipo. Cada uno de ellos podría ayudar a los astrónomos a comprender mejor cómo se forman los agujeros negros y sus sistemas binarios, y arrojar nueva luz sobre la física fundamental del espacio-tiempo.

Dos círculos negros sólidos de diferentes tamaños con ondas multicolores a su alrededor.

Concepto artístico de la fusión de agujeros negros binarios detectada recientemente, donde los 2 agujeros negros tienen masas claramente diferentes. Uno tiene aproximadamente 8 veces, y el otro aproximadamente 30 veces, la masa de nuestro sol. Imagen a través de N. Fischer, H. Pfeiffer, A. Buonanno (Instituto Max Planck de Física Gravitacional), proyecto Simulating eXtreme Spacetimes.

En pocas palabras: los detectores LIGO y Virgo ahora han capturado las primeras ondas gravitacionales de una fusión binaria de agujeros negros donde las masas de agujeros negros son desiguales.

A través del Instituto Max Planck