Los observatorios de ondas gravitacionales de próxima generación podrían detectar fusiones de agujeros negros de 100 a 600 masas solares

Los observatorios de ondas gravitacionales de próxima generación podrían detectar fusiones de agujeros negros de 100 a 600 masas solares

Los humanos nacen con asombro. Siempre nos preguntamos sobre el próximo valle, el próximo horizonte, qué entenderemos a continuación sobre este vasto Universo en el que todos estamos envueltos.

En 2015, finalmente detectamos nuestra primera onda gravitacional tan esperada y teorizada desde la distante fusión de dos agujeros negros de masa estelar. Pero ahora queremos saber más y sólo mejores detectores pueden satisfacer nuestro apetito.

Cada vez que descubrimos algo nuevo, como una respuesta largamente esperada a una pregunta fundamental, nuestro horizonte de conocimiento cambia. Esto es lo que ocurrió con la primera onda gravitacional (GW). Nos detuvimos por un momento, reconocimos la mente científica visionaria de Albert Einstein, quien predijo el fenómeno hace más de un siglo, y luego nos preguntamos qué vendría después.

En cuanto a las ondas gravitacionales, hemos detectado decenas de ellas, confirmadas o en espera de confirmación. Pero todos tienen una cosa en común: todos provienen de fusiones de agujeros negros de masa estelar. De hecho, Virgo/LIGO no puede detectar fusiones de agujeros negros más masivos. Ocurren demasiado lentamente.

Así que ahora el horizonte de GW ha cambiado. Ahora queremos detectar fusiones de agujeros negros de masa intermedia. Y para ello, esperamos la próxima generación de observatorios GW: el Telescopio Einstein y el Cosmic Explorer.

¿Qué tienen de importante las fusiones de agujeros negros intermedios?

Los agujeros negros intermedios son difíciles de detectar. Sus masas oscilan entre 100 y un millón de masas solares. Los astrofísicos han encontrado sólo unos pocos candidatos, basándose en evidencia indirecta. Pero son importantes porque probablemente sean las semillas de los agujeros negros supermasivos (SMBH) en el corazón de galaxias como la Vía Láctea.

Esta es una imagen del centro de la Vía Láctea. El área blanca brillante a la derecha del centro alberga la estrella del agujero negro supermasivo Sagitario A. De una forma u otra, los agujeros negros de masa estelar, los agujeros negros de masa intermedia y los agujeros negros supermasivos están relacionados. ¿Pero cómo exactamente? Los nuevos observatorios de GW ayudarán a los astrofísicos a resolver las cosas. Crédito de la imagen: Por NASA/JPL-Caltech/ESA/CXC/STScI – Dominio público.

Un nuevo artículo analiza cómo estudiar los agujeros negros intermedios detectando sus fusiones y las ondas gravitacionales resultantes. Examina dos nuevos observatorios, el Telescopio Einstein y el Cosmic Explorer.

El artículo se titula «Identificación de agujeros negros estelares pesados ​​a distancias cosmológicas con observatorios de ondas gravitacionales de próxima generación». » El autor principal es Stephen Fairhurst, director del Gravity Exploration Institute de la Universidad de Cardiff.

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El artículo se centra en la detección de agujeros negros binarios cuya masa total combinada oscila entre 100 y 600 millones de masas solares. Los detectores actuales tienen dificultades para localizar estos eventos, pero los nuevos observatorios pueden cambiar eso.

“La próxima generación de observatorios terrestres GW, en particular el Telescopio Einstein (ET) y el Cosmic Explorer (CE), abrirán la posibilidad de detectar firmas GW de la fusión BBH a una escala más amplia.
rango de masa y corrimientos al rojo más profundos, extendiendo el rango de observaciones al BBH hasta z ~ 30, cuando las primeras estrellas comenzaron a brillar, y en el rango de masa intermedio de 100 a 1000 », Indica el documento.

Los agujeros negros de masa estelar se forman cuando estrellas masivas colapsan por su propio peso. También es posible que en el Universo temprano, cuando las cosas eran mucho más densas, las nubes de gas colapsaran directamente en los agujeros negros. Es un ejemplo de las muchas cosas que los astrofísicos aún no saben sobre los agujeros negros.

Una parte importante del estudio de las fusiones de agujeros negros es la brecha de masa de inestabilidad de pares.

La brecha de masa de inestabilidad de pares describe una brecha de masa observada en supernovas de inestabilidad de pares. Sólo se encuentran en estrellas con masas que oscilan entre 130 y 250 masas solares. Sabemos que los agujeros negros de masa estelar se forman muy por debajo de este rango de masas, pero hay una brecha entre aproximadamente 65 y 135 masas solares donde no se forman agujeros negros.

“Algunas de las masas de BBH que estudiamos residen en lo que se llama la brecha de masa de inestabilidad del par (a menudo llamada brecha de masa superior o “brecha de masa superior”). Supernova de inestabilidad de pares (PISN).) Esta brecha se encuentra entre aproximadamente 65 masas solares y 135 masas solares, donde no se espera que se formen BH en los modelos de evolución de estrellas aisladas.

La naturaleza exacta y el alcance de la brecha de masa son inciertos. Diferentes estimaciones, modelos y teorías dan como resultado cifras ligeramente diferentes. Pero está ahí, y de alguna manera se relaciona con nuestras preguntas generales sobre los agujeros negros y cómo los SMBH en las galaxias se volvieron tan masivos.

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«Discutimos el impacto que estas observaciones tendrán en la reducción de las incertidumbres sobre la existencia de la brecha de masa de inestabilidad del par y sus implicaciones para la formación de los primeros agujeros negros estelares que podrían ser las semillas del crecimiento de agujeros negros supermasivos de alta energía. -z cuásares”, escriben los investigadores.

EL Telescopio Einstein es un proyecto de observatorio GW que actualmente están considerando varios países de la Unión Europea. Promete una astronomía GW más precisa.

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Esta ilustración muestra el Telescopio Einstein bajo el cielo nocturno.  Crédito de la imagen: Telescopio Einstein, R. Williams (STScI), el equipo del Campo Profundo del Hubble y la NASA.
Esta ilustración muestra el Telescopio Einstein bajo el cielo nocturno. Crédito de la imagen: Telescopio Einstein, R. Williams (STScI), el equipo del Campo Profundo del Hubble y la NASA.

Su diseño requiere brazos de 10 km de longitud, frente a los 4 km de LIGO. Se construirá bajo tierra para reducir el ruido sísmico y el ruido de fondo de los objetos en movimiento cercanos. El Telescopio Einstein también se enfriará criogénicamente. Todo esto se traduce en un mayor rendimiento y debería ser capaz de detectar GW procedentes de fusiones de agujeros negros de masa intermedia.

«Al explotar la sensibilidad y la banda de frecuencia de ET, toda la población de agujeros negros estelares y de masa intermedia será accesible a lo largo de la historia del Universo, lo que nos permitirá comprender su origen (estelar versus primordial), su evolución y su demografía. «, el sitio web de ET. quejas.

EL Explorador cósmico es otro observatorio GW de tercera generación propuesto para estudio por Estados Unidos. Su diseño conceptual prevé dos instalaciones independientes. Uno albergará dos brazos de 40 km y el otro dos brazos de 20 km. Si bien otros avances tecnológicos contribuyen a su sensibilidad, sus largos brazos son su principal fuerza impulsora.

Esta ilustración muestra al explorador cósmico.  Algunos de sus brazos tendrán 40 kilómetros de largo.  Crédito de la imagen: Angela Nguyen, Virginia Kitchen, Eddie Anaya, Universidad Estatal de California Fullerton;  y cortesía de Cosmomicexplorer.org
Esta ilustración muestra al explorador cósmico. Algunos de sus brazos tendrán 40 kilómetros de largo. Crédito de la imagen: Angela Nguyen, Virginia Kitchen, Eddie Anaya, Universidad Estatal de California Fullerton; y cortesía de Cosmomicexplorer.org

“Las fuentes apenas detectables por Advanced LIGO, Advanced Virgo y Kagra se resolverán con una precisión increíble. La explosión en el número de fuentes detectadas (hasta millones por año) y la fidelidad de las observaciones resultantes tendrán impactos considerables en la física y la astronomía”, indica el sitio web de CE.

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¿Cómo cambiarán estos dos observatorios nuestra comprensión del cielo de GW?

Estos dos detectores nos permitirán encontrar fusiones de BH en el Universo antiguo. «En todos los casos, se ha demostrado que la matriz GW de próxima generación ofrece una capacidad única para investigar la formación de agujeros negros con un alto corrimiento al rojo», explican los autores. «La característica más crítica de la sensibilidad del detector para observar estos sistemas es la sensibilidad de los detectores a las bajas frecuencias».

Esto es esencial porque las fusiones masivas emiten GW con frecuencias más bajas que las que nuestros observatorios GW actuales pueden detectar.

El concepto de este artista ilustra un patrón jerárquico de fusiones de agujeros negros.  Crédito: LIGO/Caltech/MIT/R.  Lesionado (PCI)
El concepto de este artista ilustra un patrón jerárquico de fusiones de agujeros negros. Crédito: LIGO/Caltech/MIT/R. Lesionado (PCI)

Reducir la brecha de masa es el siguiente paso crucial para comprender los agujeros negros. ¿Lo harán estos nuevos detectores? Todo comienza con la comprensión de los primeros agujeros negros del Universo.

«La nueva generación de detectores GW ofrece una forma única de investigar la existencia de agujeros negros estelares pesados ​​en el Universo con un alto corrimiento al rojo», afirma el artículo. Los astrofísicos necesitan encontrar agujeros negros con masas superiores a aproximadamente 50 masas solares con un corrimiento al rojo z ~ 10–15. Estos BH podrían constituir el puente entre los agujeros negros de masa estelar y los agujeros negros supermasivos. Se esconden en algún lugar de la brecha de masa.

«Combinando y comparando estadísticamente todas las observaciones de BH en fusión y acumulación, podremos arrojar luz sobre el origen y la evolución de las poblaciones de BH, desde las estelares a las supermasivas pasando por las de masa intermedia, pasando por épocas cósmicas», explica el investigador. concluyen los autores.

La astronomía de ondas gravitacionales ha cambiado el horizonte de nuestro conocimiento. Finalmente detectamos uno hace unos años, y siguieron otras detecciones. Se ha abierto una ventana completamente nueva al Universo. Pero ahora, como siempre, queremos saber más.

Estos próximos observatorios de GW, más potentes y más sensibles, deberían satisfacer nuestra hambre. Durante un cierto tiempo.

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