Simulaciones astrofísicas predicen nueva fuente detectable de ondas gravitacionales
Por: Mara Johnson-Groh, Fundación Simons.
22 de agosto de 2024
Tras la muerte de una estrella masiva que gira, se forma un disco de material alrededor del agujero negro central. A medida que el material se enfría y cae en el agujero negro, nuevas investigaciones sugieren que se crean ondas gravitacionales detectables. Crédito: Ore Gottlieb.
La muerte de una estrella masiva que gira rápidamente puede sacudir el Universo. Y las ondas resultantes, conocidas como ondas gravitacionales, podrían sentirse mediante instrumentos en la Tierra, según una nueva investigación publicada el 22 de agosto en The Astrophysical Journal Letters. Estas nuevas fuentes de ondas gravitacionales están a la espera de ser descubiertas, predicen los científicos responsables de la investigación.
Las ondas gravitacionales surgen tras la muerte violenta de estrellas que giran rápidamente y que tienen entre 15 y 20 veces la masa del Sol. Al quedarse sin combustible, estas estrellas implosionan y luego explotan, en un evento conocido como colapsar. Esto deja atrás un agujero negro rodeado por un gran disco de material sobrante que rápidamente se arremolina en las fauces del agujero negro. La espiral de material, que dura solo unos minutos, es tan grande que distorsiona el espacio a su alrededor, creando ondas gravitacionales que viajan a través del Universo.
Mediante simulaciones de vanguardia, los científicos determinaron que estas ondas gravitacionales podrían detectarse con instrumentos como el Observatorio de Ondas Gravitacionales con Interferometría Láser (LIGO), que realizó las primeras observaciones directas de ondas gravitacionales de agujeros negros en fusión en 2015. Si se detectan, las ondas impulsadas por los colapsares ayudarían a los científicos a comprender el misterioso funcionamiento interno de los colapsares y los agujeros negros.
“Actualmente, las únicas fuentes de ondas gravitacionales que hemos detectado provienen de una fusión de dos objetos compactos: estrellas de neutrones o agujeros negros”, dice el líder del estudio, Ore Gottlieb, investigador del Centro de Astrofísica Computacional (CCA) del Instituto Flatiron en la ciudad de Nueva York. Gottlieb, junto con el profesor visitante de la CCA y profesor de Columbia Yuri Levin y el profesor de la Universidad de Tel Aviv Amir Levinson, simularon las condiciones (incluidos los campos magnéticos y las tasas de enfriamiento) que se encuentran tras el colapso de una estrella rotatoria masiva.
Las simulaciones mostraron que los colapsares pueden producir ondas gravitacionales lo suficientemente potentes como para ser visibles a unos 50 millones de años luz de distancia. Esa distancia es menos de una décima parte del rango detectable de las ondas gravitacionales más potentes de las fusiones de agujeros negros o estrellas de neutrones, aunque sigue siendo más fuerte que cualquier evento no relacionado con una fusión simulado hasta ahora.
Los nuevos hallazgos son una sorpresa, dice Gottlieb. Los científicos pensaban que el colapso caótico crearía una maraña de ondas que sería difícil distinguir entre el ruido de fondo del Universo. Pensemos en una orquesta que está calentando. Cuando cada músico toca sus propias notas, puede resultar difícil distinguir la melodía que proviene de una sola flauta o tuba.
Por otra parte, las ondas gravitacionales de la fusión de dos objetos crean señales claras y fuertes como las de una orquesta que toca al unísono. Esto se debe a que cuando dos objetos compactos están a punto de fusionarse, bailan en una órbita estrecha que crea ondas gravitacionales con cada giro. Este ritmo de ondas casi idénticas amplifica la señal a un nivel que puede detectarse.
Las nuevas simulaciones mostraron que los discos giratorios alrededor de los colapsares también pueden emitir ondas gravitacionales que se amplifican juntas, de forma muy similar a los objetos compactos que orbitan durante las fusiones. “Pensé que la señal sería mucho más confusa porque el disco es una distribución continua de gas con material que gira en diferentes órbitas, descubrimos que las ondas gravitacionales de estos discos se emiten de manera coherente y también son bastante fuertes” dice Gottlieb.
La comunidad de ondas gravitacionales ya está interesada en buscar estos eventos, pero no es una tarea fácil. El nuevo trabajo calculó las señales de ondas gravitacionales para un número modesto de eventos potenciales de colapso. Las estrellas, sin embargo, abarcan una amplia gama de perfiles de masa y rotación, lo que crearía diferencias en las señales de ondas gravitacionales calculadas. Los científicos pueden examinar datos históricos para ver si hay algún evento similar al que simuló Gottlieb.
Sin embargo, dada la variedad de estrellas, cada una con una señal potencialmente única, es poco probable encontrar una coincidencia para una de las señales simuladas. La detección de ondas gravitacionales generadas por el colapso ayudaría a los científicos a comprender mejor la estructura interna de la estrella tras el colapso y también les permitiría aprender sobre las propiedades de los agujeros negros, dos temas que siguen siendo poco conocidos.
Fuente:
https://phys.org/news/2024-08-astrophysical-simulations-gravitational-source-collapsing.html