Exóticas fusiones de agujeros negros en datos de ondas gravitacionales

Astrofísicos han encontrado diez fusiones de agujeros negros adicionales en los datos de la primera mitad de la ejecución experimental más reciente de la Colaboración LIGO-VIRGO (LVC),

En los últimos siete años, LVC ha detectado 90 señales de ondas gravitacionales. Las ondas gravitacionales son perturbaciones en el tejido del espacio-tiempo que corren hacia el exterior a partir de eventos cataclísmicos como la fusión de agujeros negros binarios (BBH). En las observaciones de la primera mitad de la ejecución experimental más reciente, que continuó durante seis meses en 2019, la colaboración informó señales de 44 eventos BBH.

Pero los valores atípicos se escondían en los datos. Ampliando la búsqueda, un grupo internacional de astrofísicos volvió a examinar los datos y encontró 10 fusiones de agujeros negros adicionales, todas fuera del umbral de detección del análisis original de LVC. Las nuevas fusiones apuntan a escenarios astrofísicos exóticos que, por ahora, solo son posibles de estudiar utilizando la astronomía de ondas gravitacionales.

"Con las ondas gravitacionales, ahora estamos comenzando a observar la gran variedad de agujeros negros que se han fusionado en los últimos miles de millones de años", dice el físico Seth Olsen, candidato a doctor por la Universidad de Princeton que dirigió el nuevo análisis. Cada observación contribuye a nuestra comprensión de cómo se forman y evolucionan los agujeros negros, dice, y la clave para reconocerlos es encontrar formas eficientes de separar las señales del ruido.

Olsen presentó la nueva investigación en la reunión de abril de la American Physical Society.

En particular, las observaciones incluyeron fenómenos de agujeros negros de alta y baja masa, llenando los vacíos previstos en el espectro de masas de los agujeros negros donde se han detectado pocas fuentes. La mayoría de los modelos de física nuclear sugieren que las estrellas no pueden colapsar en agujeros negros con masas entre 50 y 150 veces la masa del sol. "Cuando encontramos un agujero negro en este rango de masas, nos dice que hay más en la historia de cómo se formó el sistema", dice Olsen, "ya que existe una buena probabilidad de que un agujero negro con brecha de masa superior sea el producto de una fusión de agujeros negros anterior".

Los modelos de física nuclear también sugieren que las estrellas con menos del doble de la masa del sol se convierten en estrellas de neutrones en lugar de agujeros negros, pero casi todos los agujeros negros observados tienen más de cinco veces la masa del sol. Las observaciones de fusiones de baja masa pueden ayudar a cerrar la brecha entre las estrellas de neutrones y los agujeros negros más ligeros conocidos. Tanto para las brechas de masa superiores como para las inferiores, ya se había detectado una pequeña cantidad de agujeros negros, pero los nuevos hallazgos muestran que este tipo de sistemas son más comunes de lo que pensábamos, dice Olsen.

Los nuevos hallazgos también incluyen un sistema que los científicos nunca antes habían visto: un agujero negro pesado que gira en una dirección y engulle a un agujero negro mucho más pequeño que lo había estado orbitando en la dirección opuesta. "El giro del agujero negro más pesado no está exactamente antialineado con la órbita", dice Olsen, "sino que está inclinado en algún lugar entre los lados y al revés, lo que nos dice que este sistema puede provenir de una subpoblación interesante de fusiones BBH donde los ángulos entre las órbitas de BBH y los giros del agujero negro son todos aleatorios".

La identificación de eventos como fusiones de agujeros negros requiere una estrategia que pueda distinguir señales significativas del ruido de fondo en los datos de observación. No es diferente a las aplicaciones de teléfonos inteligentes que pueden analizar música, incluso si se reproduce en un lugar público ruidoso, e identificar la canción que se está reproduciendo. Así como una aplicación de este tipo compara la música con una base de datos de plantillas, o las señales de frecuencia de canciones conocidas, un programa para encontrar ondas gravitacionales compara los datos de observación con un catálogo de eventos conocidos, como fusiones de agujeros negros.

Para encontrar los 10 eventos adicionales, Olsen y sus colaboradores analizaron los datos de LVC utilizando la "tubería IAS", un método desarrollado por primera vez en el Instituto de Estudios Avanzados y encabezado por el astrofísico de Princeton Matias Zaldarriaga. La canalización de IAS difiere en dos formas importantes de las canalizaciones utilizadas por LVC. Primero, incorpora análisis de datos avanzados y técnicas numéricas para mejorar el procesamiento de señales y la eficiencia computacional de las tuberías LVC. En segundo lugar, utiliza una metodología estadística que sacrifica cierta sensibilidad a las fuentes que es más probable que encuentren los enfoques LVC para ganar sensibilidad a las fuentes que es más probable que pasen por alto los enfoques LVC, como los agujeros negros que giran rápidamente.

Anteriormente, Zaldarriaga y su equipo utilizaron la canalización de IAS para analizar datos de ejecuciones anteriores del LVC e identificaron de manera similar fusiones de agujeros negros que se pasaron por alto en el análisis de primera ejecución. No es computacionalmente factible simular todo el universo, dice Olsen, o incluso la asombrosamente amplia gama de formas en que se pueden formar los agujeros negros. Pero herramientas como el oleoducto IAS, dice, "pueden sentar las bases para modelos aún más precisos en el futuro".

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