N. Fischer, H. Pfeiffer, A. Buonanno, Colaboración SXS
Los físicos buscan la fusión de agujeros negros y otros eventos cósmicos similares a través de la detección de ondas gravitacionales, de las cuales pueden obtener información valiosa, como la masa de los agujeros negros precursores y el agujero negro final más grande que resulta de la fusión. Ahora, un equipo de científicos ha encontrado evidencia de simulaciones de supercomputadoras de que esas ondas también pueden codificar la forma de los agujeros negros fusionados a medida que se asientan en su forma final, según un nuevo papel publicado en la revista Nature Communications Physics.
La relatividad general predice que dos agujeros negros fusionados deberían emitir poderosas ondas gravitacionales, ondas en el tejido del espacio-tiempo tan débiles que son muy difíciles de detectar. Las formas de onda de esas señales sirven como una huella digital de audio de los dos agujeros negros que giran en espiral uno hacia el otro y se fusionan en un evento de colisión masiva, enviando poderosas ondas de choque a través del espacio-tiempo. Los físicos buscan un indicador patrón de “chirrido” en los datos cuando los dos agujeros negros chocan. El nuevo agujero negro remanente vibra por la fuerza de ese impacto, y esas vibraciones, llamadas “ringdown” ya que es muy parecido al sonido de una campana al golpear, también producen ondas gravitacionales. Además, las señales de ondas gravitacionales tener múltiples frecuencias, apodado “sobretonos”, que se desvanecen a diferentes velocidades (decaimiento), y cada tono corresponde a una frecuencia vibratoria del nuevo agujero negro.
LIGO detecta estas ondas gravitacionales mediante interferometría láser, utilizando láseres de alta potencia para medir pequeños cambios en la distancia entre dos objetos colocados a kilómetros de distancia. (LIGO tiene detectores en Hanford, Washington y Livingston, Louisiana, mientras que un tercer detector en Italia, VIRGO avanzado, se puso en línea en 2016). El 14 de septiembre de 2015, a las 5:51 am EDT, ambos detectores captaron señales con milisegundos entre sí por primera vez.
Desde entonces, LIGO se ha actualizado y ha realizado dos ejecuciones más, iniciando su tercera ejecución el 1 de abril de 2019. En un mes, la colaboración detectó cinco eventos de ondas gravitacionales más: tres de la fusión de agujeros negros, uno de una fusión de estrellas de neutrones y otro que puede haber sido la primera instancia de una fusión de estrella de neutrones / agujero negro.
Más recientemente, en junio de 2020 la colaboración anunció la detección de una fusión de agujeros negros binarios el 21 de mayo de 2019 (designado S190521g). Y solo el mes pasado, la colaboración LIGO / VIRGO anunció que había detectado una señal de onda gravitacional de otra fusión de agujeros negros. Esta fue la fusión más masiva y más distante hasta ahora detectada por la colaboración, y produjo la señal más enérgica detectada hasta el momento. Apareció en los datos como más un “bang” que el “chirrido” habitual. La detección también marcó la primera observación directa de un agujero negro de masa intermedia.
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Ilustración del artista de la cúspide de un agujero negro.
C. Evans; JC Bustillo.
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Las etapas de una fusión de agujeros negros. La primera señal muestra la típica señal de “chirrido”. Los otros tres muestran que, después de la colisión, la frecuencia baja y vuelve a subir, produciendo un segundo “chirrido”.
C. Evans, J. Calderón Bustillo
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Detalle de la forma del agujero negro remanente tras la colisión de un agujero negro, con “forma de castaño”. Las regiones de fuerte emisión de ondas gravitacionales (en amarillo) se agrupan cerca de su cúspide.
C. Evans, J. Calderón Bustillo
Según Christopher Evans, un estudiante graduado de Georgia Tech y coautor de este último artículo, él y sus colegas realizaron simulaciones de supercomputadoras de colisiones de agujeros negros y luego compararon las ondas gravitacionales emitidas por el agujero negro remanente con su forma rápidamente cambiante como se instaló en su forma final. Resulta que las observaciones estándar de ondas gravitacionales suelen estudiar la fusión desde la parte superior del agujero negro remanente. Cuando el equipo observó el evento desde la perspectiva del ecuador del remanente, las simulaciones mostraron que las señales de ondas gravitacionales “son mucho más ricas y complejas de lo que comúnmente se piensa”. Evans dijo.
“Cuando observamos los agujeros negros desde su ecuador, descubrimos que el agujero negro final emite una señal más compleja, con un tono que sube y baja varias veces antes de morir”. said co-author Juan Calderón Bustillo del Instituto Gallego de Física de Altas Energías en Santiago de Compostela, España. “En otras palabras, el agujero negro realmente emite varios pitidos”.
Y esa señal más compleja también parece codificar información sobre qué forma tomará el agujero negro remanente final. “Cuando los dos agujeros negros originales, ‘padres’ son de diferentes tamaños, el agujero negro final parece inicialmente un castaño, con una cúspide en un lado y una espalda más ancha y suave en el otro”. dijo Bustillo. “Resulta que el agujero negro emite ondas gravitacionales más intensas a través de sus regiones más curvas, que son las que rodean su cúspide. Esto se debe a que el agujero negro remanente también está girando y su cúspide y su espalda apuntan repetidamente a todos los observadores, produciendo múltiples chirridos. . “
Los autores concluyen que la sensibilidad existente de los detectores LIGO / VIRGO debería ser suficiente para observar esta firma de chirrido posterior a la fusión en sus datos.
DOI: Física de las comunicaciones, 2020. 10.1038 / s42005-020-00446-7 (Acerca de los DOI).
