Estudio reduce aún más la búsqueda de pares esquivos de agujeros negros monstruosos

Aunque los astrofísicos nunca han detectado sistemas binarios de agujeros negros supermasivos, un detector del tamaño de una galaxia compuesto por estrellas muertas les sigue la pista.

En un nuevo estudio dirigido por la Universidad de Northwestern, los astrofísicos analizaron 12,5 años de datos de 45 estrellas muertas (llamadas púlsares) para establecer los mejores límites hasta ahora en las firmas de ondas gravitacionales emitidas por pares de monstruosos agujeros negros. Conocer estos límites ayudará a los astrofísicos a restringir el número de binarios existentes en el universo cercano, confirmar o negar candidatos binarios existentes y, algún día, detectar ondas gravitacionales de estos pares complejos.

En otro avance, el estudio también encontró que al buscar pares de agujeros negros supermasivos, los investigadores deben tener en cuenta el zumbido constante del ruido de fondo producido por la sinfonía de ondas gravitacionales de todos los agujeros negros supermasivos binarios del universo.

El estudio, titulado “El conjunto de datos de 12,5 años de NANOGrav: límites bayesianos de ondas gravitacionales de binarios de agujeros negros supermasivos individuales”, fue aceptado por The Astrophysical Journal Letters y se publicará este verano. Actualmente está publicado en el servidor de preimpresión arXiv.

“Realmente creemos que la detección de un binario de agujero negro supermasivo a través de ondas gravitacionales está a la vuelta de la esquina”, dijo Caitlin Witt de Northwestern, quien dirigió el estudio.

“Ese sería un descubrimiento importante para muchos campos científicos. Nos permitiría realizar más experimentos, como probar la gravedad para explorar si los binarios de agujeros negros supermasivos evolucionan de la forma en que pensamos que lo hacen, y nos enseñará cómo buscarlos en el futuro”. encuestas. También podremos mirar hacia atrás a través del tiempo cósmico y rastrear la historia del universo en el que vivimos “.

Witt es el becario postdoctoral CIERA-Adler inaugural en el Centro para la Exploración e Investigación Interdisciplinaria en Astrofísica (CIERA) de Northwestern y el Planetario Adler.

Demasiado grande para detectar

Ubicados en el centro de la mayoría de las galaxias, los agujeros negros supermasivos pueden tener varios miles de millones de veces la masa de nuestro sol. En comparación con los típicos agujeros negros de masa estelar, que son de 10 a 100 veces más masivos que nuestro sol, los agujeros negros supermasivos son insondablemente gigantescos.

Cuando dos galaxias, cada una con un agujero negro supermasivo central, se fusionan, pueden crear un sistema binario de estos monstruosos agujeros negros.

“Algún día, nuestra galaxia chocará con la galaxia de Andrómeda”, dijo Witt. “Millones de años después de eso, los agujeros negros eventualmente se encuentran para formar un pequeño sistema de amigos. La detección de ondas gravitacionales de sistemas como estos nos ayudará a comprender cómo interactúan las galaxias y cómo evoluciona el universo”.

En 2016, un equipo internacional codirigido por la profesora de Northwestern Vicky Kalogera utilizó el Observatorio de ondas gravitacionales con interferómetro láser (LIGO) para detectar por primera vez ondas gravitacionales de la fusión de dos agujeros negros de masa estelar, lo que resultó en ondas obvias y de corta duración. en el espacio-tiempo. Pero los binarios de agujeros negros supermasivos son demasiado grandes y están demasiado separados para que los equipos basados en la Tierra como LIGO los detecten.

Estos pares de monstruos crean ondas tan largas que sus ondas gravitacionales podrían tardar años o incluso décadas en cubrir completamente la Tierra. Incluso cuando la NASA y la Agencia Espacial Europea lancen LISA (un detector de ondas gravitacionales basado en el espacio del que el profesor de Northwestern Shane Larson es co-investigador principal) a principios de la década de 2030, aún no podrá detectar olas tan enormes.

“LIGO solo puede detectar longitudes de onda que caben dentro de sus brazos”, dijo Witt. “Tenemos que buscar frecuencias de onda mucho más bajas. Somos sensibles a los pares de agujeros negros supermasivos que pueden tardar un mes o incluso hasta 15 años en orbitar entre sí. Por lo tanto, estamos buscando una señal constante que pueda mezclarse con la fondo.”

Los púlsares marcan como un reloj

Para superar este obstáculo, una colaboración internacional de investigadores estableció el Observatorio Norteamericano de Nanohercios para Ondas Gravitacionales (NANOGrav), que busca ondas gravitacionales utilizando púlsares, un tipo de estrella de neutrones que gira rápidamente nacida en la explosión de supernova de una estrella masiva al final. de su vida. Al igual que un faro, un púlsar emite un haz de luz que parpadea a medida que gira.

“Debido a que los púlsares giran de manera tan estable, vemos pequeños destellos de luz que funcionan como un reloj”, dijo Witt. “Observamos esa luz con radiotelescopios terrestres. Si el tictac del reloj llega un poco antes o un poco tarde, esto es una señal de que podría haber sido afectado por una onda gravitacional”.

NANOGrav rastrea 75 púlsares, 45 de los cuales se usaron en este estudio, ubicados en todo el cielo nocturno. Sus haces de luz tardan meros milisegundos en pasar junto a la Tierra. Entonces, en este caso, “un poco antes o un poco tarde” podría significar una fracción de nanosegundo. Por lo tanto, las técnicas de NANOGrav deben ser increíblemente sensibles para capturar estos cambios casi imperceptibles.

Al observar todo el cielo, Witt y el equipo de NANOGrav buscan patrones específicos de todos los púlsares juntos. Según la teoría, los agujeros negros supermasivos binarios deberían emitir ondas gravitacionales que literalmente estiran y aprietan (o tensan) el espacio-tiempo en su camino hacia la Tierra. El espacio-tiempo deformado afectará los rayos de luz de los púlsares de tal manera que indica un par de agujeros negros escurridizos monstruosos.

‘El ruido rojo puede engañarnos’
Pero, por supuesto, los púlsares también generan su propio ruido, lo que puede enturbiar las señales.

“Los púlsares tienen un ruido intrínseco llamado ‘ruido rojo'”, dijo Witt. “Sus interiores podrían tambalearse un poco lentamente, lo que no serías capaz de ver a menos que estuvieras mirando tan de cerca como nosotros. Ese ruido rojo se parece al ruido de ondas gravitacionales amplias que estamos buscando. Tenemos que burlarse de eso”.

El año pasado, el equipo de NANOGrav publicó un estudio que encontró un proceso de ruido rojo en todos los púlsares que comparte las mismas características comunes. Sin más evidencia, sin embargo, NANOGrav no puede atribuir esto a las ondas gravitacionales. En el nuevo estudio, Witt y su equipo encontraron que este ruido rojo aún debe ser considerado cuidadosamente para detectar definitivamente ondas gravitacionales de binarios de agujeros negros supermasivos individuales.

“Cuando una onda gravitacional se vuelve detectable, a primera vista se ve muy similar al ruido rojo”, dijo Witt. “El ruido rojo puede engañarnos. Nuestro nuevo estudio nos dice que debemos mirar de cerca para evitar confundirnos. Será importante observar eso cuando finalmente detectemos ondas gravitacionales”.

Aunque NANOGrav todavía tiene que detectar binarios de agujeros negros supermasivos con ondas gravitacionales, el nuevo artículo de Witt acerca el campo más que nunca. Al aprovechar el conjunto de datos de 12,5 años, los investigadores crearon nuevos modelos para dar cuenta con precisión de las incertidumbres en los datos del púlsar e implementar nuevas técnicas para dar cuenta del ruido rojo.

Confirmando candidatos

Estos nuevos modelos proporcionan los límites más estrictos hasta ahora en la fuerza de las ondas gravitacionales emitidas por pares de agujeros negros supermasivos. Previamente, otros investigadores descubrieron posibles binarios de agujeros negros supermasivos con telescopios basados en luz. NANOGrav podría finalmente confirmar que estos candidatos potenciales son, de hecho, binarios de agujeros negros supermasivos.

“Con nuestros nuevos métodos, podríamos confirmar esto antes”, dijo Witt. “O, si continuamos recopilando y analizando datos, entonces podríamos descartarlo como candidato. Podría ser algo más extraño en la galaxia”.

Con información de arXiv