Detección del efecto de memoria de las ondas gravitacionales en supernovas con colapso del núcleo

La teoría de la gravedad de Einstein, la relatividad general, ha superado todas las pruebas con predicciones que son muy acertadas. Una predicción que sigue vigente es la de la «memoria de las ondas gravitacionales», es decir, la predicción de que una onda gravitacional que pase cambiará permanentemente la distancia entre los objetos cósmicos.

Se cree que las supernovas (estrellas que colapsan y explotan hacia afuera) son generadoras de ondas gravitacionales, aunque todavía no se ha detectado ninguna de ellas de forma definitiva mediante los interferómetros de ondas gravitacionales de la Tierra. Tampoco se ha observado el efecto de la memoria de las ondas gravitacionales, ni en fusiones ni en supernovas, debido a la sensibilidad limitada de los interferómetros a frecuencias de onda inferiores a 10 hercios.

Pero ahora un nuevo estudio presenta un enfoque para detectar el efecto utilizando los observatorios de ondas gravitacionales existentes en la actualidad. El artículo se publica en Physical Review Letters.

Hasta la fecha, todas las ondas gravitacionales que se han detectado se originaron en fusiones de agujeros negros, estrellas de neutrones o fusiones de cada una de ellas. Pero también se espera que las supernovas en colapso de masas superiores a unas 10 masas solares emitan ondas gravitacionales, aunque de menor amplitud y con una firma diferente en un interferómetro de ondas gravitacionales.

En estas supernovas, llamadas «supernovas de colapso del núcleo» (CCSN), el núcleo de una estrella masiva sufre un colapso repentino cuando la energía generada a partir de su energía de fusión ya no puede contrarrestar la propia gravedad de la estrella.

Esto da como resultado una onda de choque saliente de la implosión. Parte de la energía saliente será en forma de ondas gravitacionales debido al momento cuadrupolar cambiante de la estrella (con una energía total de unos 1040 julios), a menos que la materia de la estrella sea arrojada isótropamente. (A diferencia de las ondas electromagnéticas, las ondas gravitacionales no tienen momento dipolar debido a la conservación del momento).

También se emiten luz visible y neutrinos, lo que abre la posibilidad de una detección de múltiples mensajeros cuando llegan a la Tierra.

Las ondas gravitacionales del CCSN serían especialmente útiles porque las señales electromagnéticas de la supernova provienen de su borde, mientras que las ondas gravitacionales se generan en las profundidades de su interior y, por lo tanto, contienen información que no está disponible de otro modo.

Sin embargo, las ondas gravitacionales del CCSN tienen una amplitud menor que las de las fusiones de agujeros negros, con una tensión de uno a dos órdenes de magnitud menor (la tensión depende inversamente de la distancia de la fuente a la Tierra). Sus frecuencias son generalmente más bajas, su duración es más corta y la señal es más compleja y menos clara que la de las fusiones masivas de dos cuerpos.

Sin embargo, a frecuencias más bajas de las ondas gravitacionales del CCSN, aproximadamente menos de 10 hertz, las ondas tienen un componente de «memoria» gravitacional debido al movimiento anisotrópico de la materia y la emisión asférica de neutrinos. Si la explosión de neutrinos del CCSN no es isotrópica, generará radiación gravitacional adicional a partir de la del colapso.

Estas ondas «ráfagas con memoria», que se originan a partir de ondas emitidas previamente, son una clase diferente de radiación gravitacional en la que la perturbación gravitacional en cualquier punto aumenta desde cero, oscila durante unos pocos ciclos y luego, en lugar de volver a caer a cero, se estabiliza en un valor final distinto de cero.

El efecto de memoria de las ondas gravitacionales nunca se ha detectado. Los detectores de alta frecuencia como el avanzado LIGO son en su mayoría insensibles al efecto de memoria porque el tiempo de respuesta de estos detectores es generalmente mucho más corto que el tiempo característico para que la parte no oscilatoria de la señal de la onda gravitacional se acumule hasta su valor final.

Los interferómetros más grandes, como la Antena Espacial de Interferómetro Láser (LISA) propuesta para su uso en el espacio, son mejores porque tienen una mejor sensibilidad en las bandas de frecuencia más bajas, donde las fuentes de memoria típicas son más fuertes. (Una frecuencia más baja significa una longitud de onda más alta, por lo que la detección requiere brazos de interferómetro de mayor longitud).

Colter J Richardson, de la Universidad de Tennessee, junto con colegas de modelado y análisis de datos de CCSN de los EE. UU., Suecia y Polonia, estudiaron el efecto de la memoria utilizando tres simulaciones tridimensionales de última generación de CCSN no rotatorias con masas de hasta 25 masas solares, utilizando un modelo llamado CHIMERA.

Su masa más baja de 9,6 masas solares es representativa de CCSN de masa más baja; las señales de ondas gravitacionales de sus modelos mostraron «la lenta aceleración hasta un valor de deformación distinto de cero que es característico de la memoria», escribieron.

Las señales de ondas gravitacionales de las explosiones de CCSN fueron en gran medida aleatorias, pero descubrieron que el aumento gradual (de las amplitudes de las ondas) y las fases de memoria exhibían «un alto grado de regularidad» que podría aproximarse bien mediante funciones logísticas típicas de los estudios de crecimiento de la población.

Descubrieron que las señales de ondas gravitacionales de las CCSN persistían durante más de un segundo. (En cambio, la primera señal de ondas gravitacionales en 2015 duró solo 0,2 segundos). Aplicaron filtros a las señales para eliminar el ruido, lo que redujo el aumento gradual hasta la señal pico pero no la borró.

Después de un mayor refinamiento, aplicaron un filtrado adaptado a la señal final, que también se utiliza en los detectores de ondas gravitacionales actuales: buscan en una gran cantidad de formas de onda de plantilla calculadas previamente para encontrar alguna que esté altamente correlacionada con la señal del detector refinada. Descubrieron que los resultados de su modelo para una CCSN de 25 masas solares pueden detectarse a 10 kiloparsecs (unos 30.000 años luz) con una probabilidad de falsa alarma inferior al 0,05%, y dentro del rango de los interferómetros de ondas gravitacionales actuales.

«Los esfuerzos actuales en todo el mundo para la detección de ondas gravitacionales de supernovas por colapso de núcleo son sustanciales», dijo Richardson. «Además de ofrecer otra estrategia de detección, esperamos que esta carta motive nuevas investigaciones en la región de baja frecuencia de la astronomía de ondas gravitacionales».

Señaló que existen varios caminos para la investigación futura, «desde la aplicación de nuestra metodología a los eventos de fusión más comunes, hasta la investigación de cómo la próxima generación de detectores será sensible a la memoria».

Con información de arXiv