Agujeros negros de todas las formas y tamaños en el catálogo más grande de eventos de ondas gravitacionales jamás compilado

Impresión artística de una estrella de neutrones y un agujero negro a punto de fusionarse. Crédito: Carl Knox, Osgrave / Swinburne

Se ha publicado el catálogo más grande de eventos de ondas gravitacionales jamás compilado por una colaboración internacional que involucra a investigadores de Penn State. Las ondas gravitacionales son ondas en el espacio-tiempo producidas como réplicas de eventos astronómicos masivos, como la colisión de dos agujeros negros. Usando una red global de detectores, el equipo de investigación identificó 35 eventos de ondas gravitacionales, elevando el número total de eventos observados a 90 desde que comenzaron los esfuerzos de detección en 2015.

Se observaron nuevos eventos de ondas gravitacionales entre noviembre de 2019 y marzo de 2020, utilizando tres detectores internacionales: el Observatorio Avanzado del Interferómetro Láser de Ondas Gravitacionales (Lego) en los estados de Luisiana y Washington en los Estados Unidos y el detector Virgo avanzado en Italia. Los datos de estos tres reactivos fueron analizados cuidadosamente por un equipo de científicos de LIGO Scientific Collaboration, Virgo Collaboration y KAGRA Collaboration. El catálogo de nuevos eventos de la segunda mitad de la tercera ronda de observación de LIGO se describe en un nuevo artículo.

«En la tercera ronda de observaciones de LIGO y Virgo, nos propusimos descubrir los tipos más esquivos de eventos de ondas gravitacionales», dijo Debnandini Mukherjee, investigadora postdoctoral en Penn State y miembro de la colaboración LIGO. Esto incluía agujeros negros de masa pesada, binarios de relación de masa más extremos y estrella neutrón–Calabozo Las alianzas se revelan con mayor confianza. Estamos en una era emocionante en la que tales observaciones comienzan a cuestionar la astrofísica tradicionalmente conocida y están comenzando a contribuir a una comprensión más clara de las formaciones de tales objetos «.

nuevos descubrimientos

De los 35 eventos que se descubrieron, 32 probablemente fueron fusiones de agujeros negros: dos agujeros negros orbitando entre sí y finalmente reuniéndose, un evento que emite ondas gravitacionales.

Los agujeros negros involucrados en estas fusiones tienen una variedad de tamaños, el mayor de los cuales tiene una masa aproximadamente 90 veces la masa de nuestro sol. Muchos de los agujeros negros resultantes formados a partir de estas fusiones exceden la masa de nuestro sol en cien veces y se clasifican como agujeros negros de masa media. Esta representa la primera observación de este tipo de agujero negro, sobre el que los astrofísicos han teorizado durante mucho tiempo.

Dos de los treinta y cinco eventos probablemente fueron la fusión de estrellas de neutrones con agujeros negros, un tipo de evento muy raro que fue un evento. descubierto por primera vez Durante la última gira de observación de LIGO y Virgo. Una fusión recién descubierta parece mostrar un agujero negro supermasivo de aproximadamente 33 veces la masa de nuestro sol que choca con una estrella de neutrones de masa extremadamente baja 1,17 veces la masa de nuestro sol. Esta es una de las estrellas de neutrones menos masivas jamás descubiertas, utilizando ondas gravitacionales u observaciones electromagnéticas.

Las masas de agujeros negros y estrellas de neutrones son pistas clave de cómo las estrellas masivas viven y finalmente mueren en explosiones de supernovas.

dijo Becca Ewing, quien se graduó en Penn State y es miembro del grupo LIGO de Penn State. «Con cada nueva ruta de observación, encontramos señales con propiedades nuevas y diferentes, ampliando nuestra comprensión de cómo podrían verse y comportarse estos sistemas. De esta manera, podemos comenzar a mejorar nuestra comprensión del universo cada vez más con cada nueva observación. . «

Durante la segunda mitad de la tercera carrera de observación de LIGO, un equipo internacional de investigadores, incluidos científicos de Penn State, observaron 35 nuevos eventos cósmicos que produjeron ondas gravitacionales: ondas en el espacio-tiempo. Estos eventos incluyen agujeros negros e incluso agujeros negros que chocan con estrellas de neutrones. Cada línea de este gráfico corresponde a una combinación binaria comprimida, incluidos los dos objetos de combinación y el resto de la combinación final. Los agujeros negros se muestran en azul, las estrellas de neutrones en naranja y los objetos compactos de naturaleza incierta en gris. Crédito: Aaron M. Geller, Northwestern University y Frank Ilavsky, LEGO Virgo

El evento de onda gravitacional final vino de la fusión de un agujero negro con una masa 24 veces la masa de nuestro sol con un agujero negro muy ligero o una estrella de neutrones muy pesada de aproximadamente 2,8 veces la masa de nuestro sol. El equipo de investigación concluyó que probablemente se trataba de un agujero negro, pero no podía estar completamente seguro. Un evento misterioso similar fue descubierto por LIGO y Virgo en agosto de 2019. La masa del cuerpo más ligero es desconcertante, ya que los científicos esperan que sea la estrella de neutrones más grande antes de colapsar para formar un agujero negro de aproximadamente 2,5 veces la masa de nuestro cuerpo. el sol. Sin embargo, ninguna observación electromagnética ha detectado agujeros negros con masas inferiores a unas 5 masas solares. Esto llevó a los científicos a teorizar que las estrellas no colapsan para formar agujeros negros en esta escala. Las nuevas observaciones de ondas gravitacionales sugieren que es posible que sea necesario revisar estas teorías.

tremendo progreso

Desde la primera detección de una onda gravitacional en 2015, el número de descubrimientos ha aumentado a un ritmo exponencial. En años, los científicos de ondas gravitacionales pasaron de notar estas vibraciones en la estructura del universo por primera vez, a observar muchos eventos cada mes, incluso múltiples eventos en el mismo día. Durante la tercera ronda de monitoreo, los detectores de ondas gravitacionales alcanzaron su mejor desempeño gracias a un programa de actualizaciones y mantenimiento continuos para mejorar el desempeño de los dispositivos insignia.

Con el aumento en la tasa de detección de ondas gravitacionales, los científicos también han mejorado sus técnicas analíticas para asegurar la altitud. salud de los resultados. Un creciente catálogo de observaciones permitirá a los astrofísicos estudiar las propiedades de los agujeros negros y las estrellas de neutrones con una precisión sin precedentes.

En otro avance importante en este último camino, pocos minutos después de las detecciones iniciales de ondas gravitacionales, los astrónomos emitieron una llamada a los observatorios y otros detectores de todo el mundo. Esta red de detectores de neutrinos y observatorios electromagnéticos se centró en la región del cielo de donde provienen las ondas, en un intento de identificar la fuente del evento. Los eventos cósmicos que producen ondas gravitacionales también pueden producir neutrinos y emisiones electromagnéticas que, si se detectan, pueden proporcionar información adicional sobre el evento cósmico. Sin embargo, no se ha informado de ningún análogo de las ondas gravitacionales anunciadas recientemente.

«La comunicación rápida con otros observatorios es esencial para el descubrimiento de pares y la contribución a la astronomía de múltiples mensajes», dijo Bryce Cousins, asistente de investigación en Penn State y miembro de la colaboración LIGO. “Al estudiar un evento cósmico a través de múltiples señales, no solo podemos aprender sobre las propiedades específicas de los agujeros negros y las estrellas de neutrones, sino también investigar áreas más amplias de la astrofísica, como la evolución estelar y la expansión del universo. Los sistemas de alerta y monitoreo Las redes establecidas durante este proceso de observación serán vitales para descubrir a los pares que necesitamos para comprender mejor estos temas en futuras observaciones «.

En la próxima gira de observación completa, que se espera que comience el próximo verano, el observatorio KAGRA en Japón también se unirá a la búsqueda. En lo profundo de una montaña, KAGRA completó su primera ronda de observación exitosa en 2020, pero aún no se ha unido a LIGO y Virgo para realizar observaciones conjuntas. Con más detectores, la ubicación de eventos potenciales se puede ubicar con mayor precisión.

“Unir KAGRA a la red de detectores puede mejorar el área de localización del cielo de las fuentes de filtro de ondas gravitacionales en aproximadamente el doble, lo que puede ser útil para los descubrimientos de pares, ya que conocer la ubicación exacta de las fuentes en el cielo es fundamental para los telescopios, ”Dijo Shio Sakon, estudiante de último año de estudios en Penn State y miembro de LIGO Collaboration”. Con los desarrollos de la tubería de detección, las actualizaciones de LIGO y VIRGO, y la participación de KAGRA en la red de detectores, esperamos detectar y analizar eventos candidatos a ondas gravitacionales con mayor frecuencia que nunca, y envía alertas públicas de alta calidad con baja latencia. Para ser vital para el avance de la astronomía de múltiples mensajeros. «

Referencia: “GWTC-3: Alianzas binarias combinadas observadas por LIGO y Virgo durante la segunda parte de la tercera ejecución del monitor” Por LIGO Scientific Collaboration, Virgo Collaboration y KAGRA Collaboration, 5 de noviembre de 2021, Relatividad general y cosmología cuántica.
arXiv: 2111.03606

Acerca de los observatorios de ondas gravitacionales:

Este material se basa en el trabajo respaldado por el Laboratorio LIGO de la National Science Foundation, una importante instalación financiada por la NSF. LIGO es operado por Caltech y con, que creó LIGO y dirigió el proyecto de detector avanzado LIGO. El apoyo financiero para el proyecto LIGO avanzado provino principalmente de NSF con Alemania (Sociedad Max Planck), Reino Unido (Consejo de Instalaciones Científicas y Tecnológicas) y Australia (Consejo Australiano de Investigación – OzGrav) y asumieron importantes compromisos y contribuciones al proyecto. Casi 1.400 científicos de todo el mundo están participando en los esfuerzos para analizar datos y desarrollar diseños de detectores a través de la Colaboración Científica LIGO, que incluye una colaboración GEO.

La colaboración de Virgo consta actualmente de casi 650 miembros de 119 instituciones en 14 países diferentes, incluidos Bélgica, Francia, Alemania, Hungría, Italia, los Países Bajos, Polonia y España. El Observatorio Gravitacional Europeo (EGO) alberga el detector Virgo cerca de Pisa en Italia y está financiado por el Centro Nacional de Investigación Científica (CNRS) en Francia, el Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) en Italia y Nikhef en los Países Bajos.

El detector KAGRA se encuentra en Kamioka, Gifu, Japón. El instituto anfitrión es el Instituto de Investigación de Rayos Cósmicos (ICRR) de la Universidad de Tokio, y el proyecto es coanfitrión del Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ) y la Organización de Investigación de Aceleración de Alta Energía (KEK). KAGRA completó su construcción en 2019 y luego se unió a la red internacional de ondas gravitacionales LIGO y Virgo. La toma de datos reales comenzó en febrero de 2020 durante la etapa final de la carrera denominada «O3b». La cooperación de KAGRA consta de más de 470 miembros de 11 países / regiones.