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Ondas gravitacionales detectadas por tercera vez, revelando otra colisión con un agujero negro

Ondas gravitacionales detectadas por tercera vez, revelando otra colisión con un agujero negro

El dibujo de este artista muestra dos agujeros negros fusionados similares a los detectados por LIGO. Los agujeros negros giran fuera de alineación, lo que significa que tienen diferentes orientaciones en relación con el movimiento orbital general del par. LIGO / Caltech / MIT / Sonoma State (Aurore Simonnet)

Por tercera vez, los científicos han detectado un choque espacio-temporal causado por una violenta colisión de dos agujeros negros. El Observatorio de Ondas Gravitacionales del Interferómetro Láser (LIGO) realizó la detección, determinando que los dos agujeros negros se habían unido para crear un gran agujero negro en una galaxia a unos 3 mil millones de años luz de distancia.

“Observamos, el 4 de enero de 2017, otra coalescencia binaria masiva de agujero negro-agujero negro; la inspiración y fusión de agujeros negros 20 y 30 veces la masa de nuestro sol”, Dave Shoemaker, investigador principal que trabaja en el Instituto de Tecnología de Massachusetts. (MIT) y un portavoz de la colaboración científica LIGO, dijo a los periodistas durante una conferencia de prensa especial el miércoles (31 de mayo).

Este gigantesco agujero negro creó un agujero negro giratorio aún más masivo, aproximadamente 49 veces la masa de nuestro sol. En un instante, el doble de la masa de nuestro sol se convirtió directamente en ondas gravitacionales, produciendo brevemente más energía que toda la energía irradiada como luz por todas las galaxias del universo en cualquier momento, según los científicos de LIGO.

Los detalles de la detección se publicaron en la revista Physical Review Letters.

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la tercera vez es un encanto

Después de muchos años de diseño, desarrollo y construcción, LIGO hizo sus primeras observaciones en 2002. Sin embargo, no fue hasta el 14 de septiembre de 2015 que se realizó el primer estudio histórico de ondas gravitacionales, un evento llamado “GW150914”. Esto sucedió después de que LIGO pasó por actualizaciones (conocidas como LIGO Advanced) para aumentar su sensibilidad. Luego, se produjo una segunda detección (“GW151226”) unos meses después, en diciembre, que confirma que el primer descubrimiento no fue accidental.

Hoy, la colaboración científica de LIGO, que reúne a más de mil científicos de todo el mundo, confirma la el tercero detección de ondas gravitacionales (“GW170104”), lo que significa que estamos a la altura de un nuevo tipo de astronomía.

Todas las ondas gravitacionales detectadas hasta ahora fueron creadas por la colisión de agujeros negros de masa estelar de varios tamaños. Estos son agujeros negros que tienen unas pocas o unas pocas docenas de veces la masa de nuestro Sol, probablemente formados a partir de la muerte de estrellas muy masivas después de que se quedaron sin combustible y explotaron en una supernova hace miles de millones de años. Advanced LIGO ha llegado a una encrucijada en nuestra búsqueda de ondas gravitacionales, alcanzando finalmente una sensibilidad capaz de detectar la colisión de agujeros negros muy distantes, creando ondas gravitacionales débiles que ahora sabemos que llenan nuestro universo.

Los eventos de 2015 fueron causados ​​por fusiones que crearon agujeros negros de 62 y 21 masas solares en galaxias a 1.300 millones y 1.400 millones de años luz de distancia, respectivamente. (Nota: debido a que las ondas gravitacionales viajan a la velocidad de la luz, estas fusiones tuvieron lugar hace 1.300 millones y 1.400 millones de años. desde.) Esta última detección proviene de una fusión que creó un agujero negro de 49 masas solares (otro agujero negro “pesado” como el primero), pero la fusión ocurrió dos veces más que los eventos anteriores.

“Esto significa que ahora tenemos un segundo candidato en la categoría de agujero negro ‘pesado'”, dijo Bangalore Sathyaprakash de Penn State y la Universidad de Cardiff y miembro de la colaboración científica LIGO.

LIGO descubrió una nueva población de agujeros negros con masas mayores a las observadas previamente solo con estudios de rayos X (violeta).  Las tres detecciones confirmadas por LIGO (GW150914, GW151226, GW170104) y un hallazgo de baja confianza (LVT151012) indican una población de agujeros negros binarios de masa estelar que, cuando se combinan, tienen más de 20 masas solares, o más. antes de.

LIGO descubrió una nueva población de agujeros negros con masas mayores a las observadas previamente solo con estudios de rayos X (violeta). Las tres detecciones confirmadas por LIGO (GW150914, GW151226, GW170104) y un hallazgo de baja confianza (LVT151012) indican una población de agujeros negros binarios de masa estelar que, cuando se combinan, tienen más de 20 masas solares, o más. antes de.

LIGO / Caltech / Sonoma State (Aurore Simonnet)

Esto es importante porque, antes de que LIGO hiciera su primera detección (un agujero negro de 62 masas solares) y la más reciente (un agujero negro de 49 masas solares), no había evidencia de observación de la existencia de estos grandes agujeros. Es un descubrimiento inicial increíble. Los científicos han revelado un tipo completamente nuevo de gran agujero negro en solo tres detecciones.

Las cosas están a punto de ponerse aún más emocionantes a medida que LIGO se somete a nuevas actualizaciones planificadas y más observadores se unen a la búsqueda de ondas gravitacionales.

“Deberíamos esperar ver un evento de unión binaria por día una vez que alcancemos la sensibilidad proyectada por LIGO”, dijo Sathyaprakash.

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un laboratorio de astrofísica

Cuando se detectan ondas gravitacionales, es posible estudiar las condiciones de colisión de agujeros negros en el momento de la fusión.

“En nuestro análisis, no podemos medir muy bien los giros de los agujeros negros individuales, pero podemos decir si los agujeros negros generalmente giran en la misma dirección que el movimiento orbital”, dijo la astrofísica Laura Cadonati, portavoz adjunta de LIGO Scientific en Georgia Tech. Colaboración.

Pero se puede obtener una idea de cómo los agujeros negros giran entre sí mediante el estudio de la “huella digital” de la señal de la onda gravitacional, dice Cadonati.

Los modelos teóricos de fusión de agujeros negros indican que si los espines de los dos agujeros negros no están alineados, el evento de fusión ocurrirá más rápido que si los espines estuvieran alineados. Además, se esperan más oscilaciones en la señal a medida que dos agujeros negros alineados con espín se acercan y comienzan a fusionarse.

Los agujeros negros alineados con espín eran probablemente estrellas hermanas. Se cree que ambos se originaron a partir de estrellas masivas que evolucionaron en las cercanías de antiguas fábricas de estrellas como un par binario, y finalmente murieron como una supernova.

Pero en este evento más reciente, la fusión ocurrió relativamente rápido y no se observaron más oscilaciones, lo que significa que los dos agujeros negros probablemente fueron no alineados por rotación y probablemente no se formaron juntos. Esto da una pista sobre su origen: en lugar de estar formados por estrellas binarias hermanas, eran extrañas y evolucionaron de forma independiente, desplazándose una hacia la otra en el centro de un denso cúmulo de estrellas, donde finalmente se fusionaron.

“Esto tiene implicaciones para la astrofísica … aunque no podemos decirlo con certeza, este hallazgo probablemente apoya la teoría de que estos dos agujeros negros se formaron por separado en un denso cúmulo de estrellas, hundido en el interior del cúmulo. Luego se unieron. , en lugar de estar formados por el colapso de dos estrellas ya emparejadas ”, añade Cadonati.

Dado que los agujeros negros son monstruos gravitacionales, se rigen por la relatividad general de Einstein, por lo que al estudiar las ondas gravitacionales que producen cuando chocan, los científicos también pueden estudiar las ondas a través de un efecto conocido como “dispersión”. Por ejemplo, cuando la luz pasa a través de un prisma, diferentes longitudes de onda viajarán a diferentes velocidades a través del vidrio. Esto provoca la dispersión en el haz de luz: este es el mecanismo que crea un arco iris.

La relatividad general, sin embargo, prohíbe la dispersión en ondas gravitacionales. La última señal viajó un récord de 3 mil millones de años luz en el espacio-tiempo para llegar a la Tierra, y LIGO no detectó ningún efecto de dispersión.

“Parece que Einstein tenía razón, incluso para este nuevo evento, que es casi el doble de nuestra primera detección”, dijo Cadonati en un comunicado. “No podemos ver ninguna desviación de las predicciones de la Relatividad General y esta mayor distancia nos ayuda a hacer esa afirmación con más confianza”.

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Una nueva ventana en “Universo oscuro”

La famosa teoría de la relatividad general de Einstein predice la existencia de ondas gravitacionales, pero la humanidad tardó más de un siglo en desarrollar el conocimiento tecnológico para construir un detector lo suficientemente sensible como para detectarlas. Cuando ocurre un evento energético (como el derretimiento de agujeros negros o una colisión de estrellas de neutrones), el espacio-tiempo se altera violentamente y la energía se resta del evento en forma de ondas gravitacionales, como ondas que cruzan la superficie. Agua después de dejar caer una piedra en un lago.

Agujero negro de fusión gif

Una simulación matemática del espacio-tiempo distorsionado cerca de dos agujeros negros en fusión, consistente con la observación de LIGO del evento llamado GW170104. Las bandas de colores son los picos y valles de las ondas gravitacionales, y los colores se iluminan a medida que aumenta la amplitud de la onda.

Colaboración LIGO / Caltech / MIT / SXS

Pero para detectar estas ondas, los astrónomos deben construir un observatorio que pueda detectar oscilaciones increíblemente pequeñas en la estructura del espacio-tiempo a medida que estas ondas viajan por nuestro planeta. Las ondas gravitacionales no forman parte del espectro electromagnético; no pueden ser detectados por telescopios ordinarios que solo son sensibles a la luz.

Para abrir la ventana a este “universo oscuro”, los físicos están construyendo detectores de ondas gravitacionales como LIGO, que reflejan láseres increíblemente precisos a lo largo de túneles en forma de L de 4 km de largo. Estos túneles están protegidos de las vibraciones externas provocadas por el viento, el tráfico, la actividad tectónica y otras interferencias terrestres. Utilizando un método conocido como interferometría láser, la distancia entre los espejos reflectantes dentro del túnel se puede medir con una precisión muy alta. Si una onda gravitacional pasa por nuestro planeta, el interferómetro puede registrar un pequeño cambio en la distancia; esto representa la compresión mínima y el alargamiento del espacio-tiempo que ocurre cuando las ondas gravitacionales se propagan.

Es como si los físicos hubieran creado un cable virtual que nos alerta cuando un intruso invisible de ondas gravitacionales ronca en el espacio-tiempo local.

Sin embargo, un solo detector no es suficiente para confirmar un evento de ondas gravitacionales. En el caso de LIGO, un detector está ubicado en Hanford, Washington, y otro está ubicado en Livingston, Louisiana, a 1.865 millas (3.002 kilómetros) de distancia. Solo cuando se detecta el mismo evento en ambos lugares, los científicos pueden confirmar una señal de onda gravitacional. Dos detectores pueden incluso determinar una dirección aproximada del origen de la onda, pero a medida que se agregan más detectores al grupo, los astrónomos esperan identificar su origen con una precisión cada vez mayor.

Se planean observatorios adicionales de ondas gravitacionales y se está poniendo en servicio el detector europeo Virgo, ubicado cerca de Pisa, Italia. Una vez en línea, Virgo se utilizará junto con LIGO para aumentar el poder de observación de las ondas gravitacionales y permitir una mejor localización de los eventos cósmicos que causan las señales.

Ahora que se ha confirmado la existencia de ondas gravitacionales y los astrónomos están detectando cada vez más fusiones de agujeros negros, estamos entrando en una nueva era para la astronomía. Esta es la astronomía de ondas gravitacionales, donde finalmente se revelará el universo oscuro.

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