Los astrónomos buscan señales de rayos X de esquivas ondas gravitacionales continuas


En los últimos años, los astrónomos han logrado un hito increíble: la detección de ondas gravitacionales, ondas extremadamente débiles en el tejido del espacio y el tiempo que emanan de algunos de los eventos más catastróficos del universo, incluidas las colisiones entre agujeros negros y estrellas de neutrones. Hasta ahora ha habido más de 90 detecciones de ondas gravitacionales de tales eventos, observables por solo ~0.1 a 100 segundos. Sin embargo, puede haber otras fuentes de ondas gravitacionales, y los astrónomos todavía están a la caza de ondas gravitacionales continuas.

Las ondas gravitacionales continuas deberían ser más fáciles de detectar, ya que tienen una duración mucho más larga en comparación con las señales de las colisiones de objetos compactos. Las estrellas de neutrones son una posible fuente de ondas continuas. Estos son «cadáveres» estelares que quedaron de las explosiones de supernovas de estrellas masivas. Después de la explosión inicial, la estrella colapsa sobre sí misma, aplastando los átomos en una bola súper densa de partículas subatómicas llamadas neutrones, de ahí el nombre de estrella de neutrones. La señal de onda continua está relacionada con la rapidez con la que gira la estrella de neutrones, por lo que las mediciones precisas de la frecuencia de giro utilizando telescopios más convencionales mejorarían en gran medida la posibilidad de detección de estas esquivas ondas.

En un estudio reciente de Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, dirigido por OzGrav Ph.D. estudiante Shanika Galaudage de la Universidad de Monash, los científicos tenían como objetivo determinar las frecuencias de giro de las estrellas de neutrones para ayudar a detectar ondas gravitacionales continuas.

Impresión artística de una fuente potencial de ondas gravitacionales continuas: acumulación asimétrica en una estrella de neutrones giratoria. Crédito: Mark Myers, Universidad OzGrav-Swinburne

Posibles fuentes de ondas gravitacionales continuas

En este estudio, los investigadores plantearon la hipótesis de que las ondas gravitacionales continuas provienen indirectamente de la acumulación gradual de materia en una estrella de neutrones desde una estrella compañera de baja masa; estos sistemas binarios de una estrella de neutrones y una estrella compañera se denominan binarios de rayos X de baja masa (LMXB). ).

Si la estrella de neutrones puede mantener una «montaña» acumulada de materia (aunque solo sea de unos pocos centímetros de altura), producirá ondas continuas. La frecuencia de estas ondas se relaciona con la rapidez con la que gira la estrella de neutrones. Cuanto más rápido se acumula esta materia, más grande es la «montaña», produciendo ondas continuas más grandes. Los sistemas que acumulan esta materia más rápidamente también son más brillantes en la luz de rayos X. Por lo tanto, los LMXB más brillantes son los objetivos más prometedores para detectar ondas continuas.

Scorpius X-1 (Sco X-1) y Cygnus X-1 (Cyg X-2) son dos de los sistemas LMXB más brillantes: Sco X-1 ocupa el segundo lugar en brillo de rayos X en comparación con el Sol. Además de su brillo extremo, los científicos saben mucho sobre estos dos sistemas LMXB, lo que los convierte en fuentes ideales de ondas continuas para estudiar. Pero sus frecuencias de espín aún se desconocen.

«Una forma en que podemos determinar qué tan rápido giran estas estrellas de neutrones es buscando pulsaciones de rayos X», dice la líder del estudio, Shanika Galaudage. «Las pulsaciones de rayos X de las estrellas de neutrones son como faros cósmicos. Si podemos cronometrar el pulso, podríamos revelar inmediatamente su frecuencia de giro y acercarnos a detectar la señal continua de ondas gravitacionales».

«Sco X-1 es una de las mejores perspectivas que tenemos para hacer una primera detección de ondas gravitacionales continuas, pero es un problema de análisis de datos muy difícil», dice el investigador de OzGrav y coautor del estudio Karl Wette, de la Universidad Nacional de Australia. «Encontrar una frecuencia de giro en los datos de rayos X sería como iluminar los datos de ondas gravitacionales: ‘aquí, aquí es donde deberíamos estar buscando». Sco X-1 sería entonces un favorito candente para detectar ondas gravitacionales continuas».

Búsqueda de pulsaciones de rayos X

El equipo realizó una búsqueda de pulsaciones de rayos X de Sco X-1 y Cyg X-2. Procesaron más de 1000 horas de datos de rayos X recopilados por el instrumento Rossi X-ray Timing Explorer. La búsqueda utilizó un total de ~500 horas de tiempo computacional en la supercomputadora OzSTAR.

Desafortunadamente, el estudio no encontró ninguna evidencia clara de pulsaciones de estas fuentes LMXB. Hay varias razones por las que esto podría ser: el LMXB podría tener campos magnéticos débiles que no son lo suficientemente potentes para soportar pulsaciones detectables. O podría ser que las pulsaciones van y vienen con el tiempo, lo que las haría difíciles de detectar. En el caso de Sco X-1, posiblemente podría ser un agujero negro, que no esperaríamos que produjera pulsaciones de rayos X.

El estudio encuentra los mejores límites sobre cuán brillantes podrían ser estas pulsaciones de rayos X si ocurrieran; estos resultados podrían significar que las estrellas de neutrones no pueden sostener montañas de materia bajo su fuerte gravedad. La investigación futura puede aprovechar este estudio empleando mejores técnicas de búsqueda y datos más confidenciales.

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