¿Se pueden predecir las colisiones cósmicas antes de que sucedan?
Por Whitney Clavin, Instituto de Tecnología de California
13 de marzo de 2023.
Crédito: Instituto de Tecnología de California.
El 17 de agosto de 2017, alrededor de 70 telescopios dirigieron colectivamente su mirada hacia una feroz colisión entre dos estrellas muertas que tuvo lugar a millones de años luz de distancia. Los telescopios observaron cómo se desarrollaba el evento en un arco iris de longitudes de onda, desde ondas de radio hasta luz visible y rayos gamma de la más alta energía. Cuando el par de estrellas de neutrones ultradensas chocaron entre sí, arrojaron escombros que brillaron durante días, semanas y meses. Algunos de los telescopios que observaron detectaron oro, platino y uranio en la explosión abrasadora, lo que confirma que la mayoría de los elementos pesados de nuestro Universo se forjaron en este tipo de colisión cósmica.
Si ese fuera el final de la historia, este evento cósmico habría sido notable en sí mismo, pero otros tres detectores estaban presentes para la reunión astronómica ese día: dos pertenecientes al LIGO (Observatorio de ondas gravitacionales con interferómetro láser) y uno perteneciente a Virgo de Europa. LIGO y Virgo no observan ondas de luz sino ondas gravitacionales, o escalofríos en el espacio y el tiempo producidos por objetos masivos que se aceleran. A medida que las estrellas de neutrones se juntan en espiral, generan ondas gravitacionales antes de fusionarse y explotar con luz. Fue la red de ondas gravitacionales LIGO-Virgo la que alertó a las docenas de telescopios de todo el mundo de que algo asombroso estaba ocurriendo en los cielos. Sin LIGO y Virgo, el 17 de agosto de 2017 habría sido un día típico en astronomía.
Desde entonces, la red LIGO-Virgo ha detectado solo otra fusión de estrellas de neutrones; en ese caso, ocurrido en 2019, los telescopios basados en luz no pudieron observar el evento. (LIGO-Virgo también ha detectado docenas de fusiones de agujeros negros binarios, pero no se espera que produzcan luz en la mayoría de los casos). Con LIGO-Virgo programado para regresar en mayo, los astrónomos se están preparando con entusiasmo para fusiones de estrellas de neutrones más explosivas. Una pregunta apremiante en la mente de algunos miembros del equipo LIGO es: ¿Pueden detectar estos eventos antes, tal vez incluso antes de que las estrellas muertas choquen?
Con ese fin, los investigadores están desarrollando un software de alerta temprana para alertar a los astrónomos sobre fusiones de estrellas de neutrones hasta segundos o incluso un minuto completo antes del impacto.
"Es una carrera contra el tiempo", dice Ryan Magee, becario postdoctoral de Caltech que codirige el desarrollo de software de alerta temprana junto con Surabhi Sachdev, profesor de Georgia Tech. "Nos estamos perdiendo un tiempo precioso para comprender lo que sucede antes y después de estas fusiones", dice.
Una vez que LIGO detecta una probable colisión de estrellas de neutrones, comienza la carrera para que los telescopios en tierra y en el espacio hagan un seguimiento y determinen su ubicación. La red LIGO-Virgo, que consta de tres detectores de ondas gravitacionales, ayuda a delimitar la ubicación aproximada donde ocurren los fuegos artificiales, mientras que se requieren telescopios basados en luz para identificar la galaxia exacta en la que residen las estrellas de neutrones.
Para el evento del 17 de agosto, conocido como GW170817, la mayoría de los telescopios basados en luz no pudieron comenzar a buscar la fuente del evento de ondas gravitacionales hasta nueve horas después. El equipo LIGO-Virgo envió su primera alerta a la comunidad astronómica 40 minutos después de la colisión de la estrella de neutrones y los primeros mapas del cielo, describiendo la ubicación aproximada del evento, 4,5 horas después del evento.
Pero en ese momento, la región de interés en los cielos del sur se había sumergido por debajo del horizonte y fuera de la vista de los telescopios del sur capaces de verla. Los astrónomos tendrían que esperar ansiosamente hasta nueve horas después del evento para comenzar a peinar los cielos. Aproximadamente 11 horas después de la colisión de la estrella de neutrones, varios telescopios ópticos terrestres finalmente habían determinado la ubicación de la fuente de las ondas: una galaxia llamada NGC 4993, que se encuentra a unos 130 millones de años luz de distancia.
Con 11 horas que faltan en la historia de cómo las estrellas de neutrones chocan entre sí y siembran el Universo con elementos pesados, los astrónomos esperan ansiosamente más colisiones de estrellas de neutrones. Para la próxima carrera de LIGO-Virgo, que también incluirá observaciones realizadas por KAGRA de Japón, los detectores se han sometido a una serie de actualizaciones para hacerlos aún mejores en la captura de eventos de ondas gravitacionales y, por lo tanto, fusiones de estrellas de neutrones. El equipo espera detectar de cuatro a 10 fusiones de estrellas de neutrones en la próxima ejecución y hasta 100 en la quinta ejecución de observación de la red actual de detectores avanzados, prevista para comenzar en 2027. Las futuras ejecuciones con detectores más avanzados están previstas para la década de 2030.
Una nueva característica que se empleará en la próxima carrera es el sistema de alerta temprana. El software especializado complementará el software principal que se ha utilizado habitualmente para detectar todos los eventos de ondas gravitacionales hasta el momento.
El software principal, también llamado tubería de búsqueda, busca señales de ondas gravitacionales débiles enterradas en datos ruidosos de LIGO comparando los datos con una biblioteca de señales conocidas, o formas de onda, que representan diferentes tipos de eventos, como fusiones de agujeros negros y estrellas de neutrones. Si se encuentra y se confirma una coincidencia, se envía una alerta a la comunidad astronómica. El software de alerta temprana funciona de la misma manera, pero solo usa versiones truncadas de las formas de onda para que pueda funcionar más rápido.
"Los detectores toman constantemente nuevos datos en una serie de observación, y estamos comparando nuestras formas de onda con los datos a medida que ingresan. Si usamos formas de onda truncadas, no tenemos que esperar a que se recopilen tantos datos para hacer nuestra comparación", dice Magee. "La contrapartida es que la señal debe ser lo suficientemente fuerte como para ser detectada mediante formas de onda truncadas. Es importante seguir ejecutando las tuberías principales junto con la tubería de alerta temprana para captar las señales más débiles y obtener las mejores localizaciones finales". Magee, Sachdev y sus colegas están trabajando en un canal de alerta temprana llamado GSTLAL; También se están trabajando en tuberías adicionales de alerta temprana para LIGO-Virgo.
A medida que las estrellas de neutrones giran en espiral una alrededor de la otra como un par de bailarines de hielo, orbitan cada vez más rápido y emiten ondas gravitacionales de frecuencias cada vez más altas. El baile final entre las estrellas de neutrones dura más que entre los agujeros negros, hasta varios minutos en las bandas de frecuencia a las que LIGO es más sensible, y esto le da a LIGO y Virgo más tiempo para captar el camino hacia el final dramático de las estrellas. En el caso de GW170817, el par de estrellas de neutrones mezcladas pasó seis minutos en los rangos de frecuencia detectables por LIGO-Virgo antes de que los dos cuerpos finalmente se fusionaran.
Las formas de onda truncadas del software de alerta temprana LIGO están diseñadas para capturar fragmentos de este último baile; de hecho, los investigadores creen que el software eventualmente detectará una fusión de estrellas de neutrones hasta un minuto antes de la colisión. Si es así, eso dará a los telescopios de todo el mundo más tiempo para encontrar y estudiar las explosiones.
"En la próxima ejecución, podríamos detectar una de las fusiones de estrellas de neutrones con 10 segundos de anticipación", dice Sachdev. "Para la quinta carrera, creemos que podemos atrapar uno con un minuto completo de advertencia".
Para los astrónomos, un minuto es mucho tiempo. El profesor de astronomía de Caltech, Gregg Hallinan, director del Owens Valley Radio Observatory de Caltech, dice que las advertencias tempranas de fusiones inminentes de estrellas de neutrones serán particularmente importantes para los telescopios de rayos gamma, rayos X y radio porque las colisiones pueden estallar en estas longitudes de onda.
"Los conjuntos de radiotelescopios como el Long Wavelength Array en el Owens Valley Radio Observatory (OVRO-LWA) y el futuro Deep Synoptic Array (DSA-2000) de 2.000 antenas de Caltech podrían detectar un destello de radio que se teoriza que ocurrirá en ese momento las estrellas de neutrones se fusionan y, en algunos modelos, durante la inspiración final antes de la fusión", dice Hallinan. "Eso nos enseñará sobre los entornos inmediatos de estos eventos masivamente destructivos. Además, ver un destello de radio también podría ayudarnos a precisar rápidamente la ubicación de las fusiones".
Shreya Anand, estudiante de posgrado de Caltech, dice que las primeras observaciones ópticas y ultravioleta de las fusiones pueden revelar nueva información sobre su evolución, como la forma en que se forman los elementos en el material de rápido movimiento expulsado por las colisiones.
Anand, que trabaja en el grupo del profesor de astronomía de Caltech Mansi Kasliwal (MS '07, Ph.D. '11), está ocupada desarrollando software ella misma, no para sistemas de alerta temprana, sino para buscar en los cielos fusiones de estrellas de neutrones y otros eventos cósmicos una vez que se recibe una alerta de LIGO. El grupo de Kasliwal actualmente está desarrollando software para Zwicky Transient Facility (ZTF) y el próximo Wide-field INfrared Transient ExploreR (WINTER), dos instrumentos de estudio basados en el Observatorio Palomar de Caltech. ZTF e WINTER pueden hacer un seguimiento de una alerta de LIGO para encontrar y observar una fusión de estrellas de neutrones. Anand está desarrollando un software que aceleraría esta búsqueda.
"Nuestros algoritmos descubren cómo cubrir mejor diferentes partes del cielo y durante cuánto tiempo para garantizar la máxima posibilidad de encontrar el objetivo", dice ella. "Nos falta física interesante en las primeras fases de las fusiones. El software de alerta temprana del equipo de LIGO y el software para nuestras búsquedas de telescopios acelerarán nuestras posibilidades de encontrar un evento temprano. En última instancia, esto nos dará una imagen más completa de lo que está pasando".
El estudio de alerta temprana dirigido por Magee apareció en The Astrophysical Journal Letters en 2021. El estudio dirigido por Sachdev también apareció en The Astrophysical Journal Letters en 2020.
Fuente:
https://phys.org/news/2023-03-cosmic-collisions.html