Las estrellas moribundas envían ondas gravitacionales a todo el universo

Las ondulaciones en el espacio-tiempo causadas por la muerte de estrellas masivas en rotación pueden estar dentro de los límites de detección de proyectos como… Lego Y la Virgen.

Las estrellas colapsadas, los restos de estrellas masivas colapsadas, pueden producir imágenes detectables ondas gravitacionalesSegún una nueva simulación, estas ondas, que se originan a partir del material que fluye hacia los agujeros negros, podrían proporcionar información sobre los procesos internos de las estrellas y los agujeros negros, aunque identificarlos sigue siendo un desafío.

Ondas gravitacionales causadas por estrellas moribundas

La muerte de una estrella masiva que gira rápidamente podría sacudir el universo. Las ondas resultantes, conocidas como ondas gravitacionales, pueden sentirse mediante instrumentos en la Tierra, según una nueva investigación publicada el 22 de agosto en Astronomical Journal. el Cartas de revistas astrofísicasLos científicos que llevan a cabo la investigación esperan que estas nuevas fuentes de ondas gravitacionales aún estén esperando ser descubiertas.

Las ondas gravitacionales surgen después de la muerte violenta de estrellas que giran rápidamente y tienen entre 15 y 20 veces la masa del Sol. Cuando se quedan sin combustible, estas estrellas explotan y luego explotan, en un evento conocido como colapso estelar. esto quedo atras Agujero negro Está rodeado por un gran disco de material sobrante que gira rápidamente en la boca del agujero negro. La rotación de la materia -que dura sólo unos minutos- es tan grande que distorsiona el espacio que la rodea, creando ondas gravitacionales que viajan por el universo.

Simulación que muestra la distribución de materia alrededor de un agujero negro recién nacido tras un colapso estelar. Los colores más cálidos indican densidades más altas del material. Copyright: Ore Gottlieb

Simulación de detección de ondas gravitacionales.

Mediante sofisticadas simulaciones, los científicos determinaron que estas ondas gravitacionales podrían detectarse utilizando instrumentos como el Observatorio de Ondas Gravitacionales con Interferómetro Láser (LIGO), que realizó las primeras observaciones directas de las ondas gravitacionales generadas por la fusión de agujeros negros en 2015. Si las ondas impulsadas por Si se detectan los colapsos, ayudarán a los científicos a comprender los misteriosos procesos internos de los colapsos y los agujeros negros.

«Actualmente, las únicas fuentes de ondas gravitacionales que hemos detectado provienen de la fusión de dos objetos compactos: estrellas de neutrones o agujeros negros», dice Or Gottlieb, investigador del Centro de Astrofísica Computacional del Instituto Flatiron en la ciudad de Nueva York. «Una de las preguntas más interesantes en este campo es: ¿Cuáles son las posibles fuentes no fusionadas que podrían producir ondas gravitacionales que podamos detectar utilizando las instalaciones actuales? Una de las respuestas más prometedoras ahora son los colapsos estelares».

Ondas gravitacionales que se pueden detectar en estrellas en colapso

Gottlieb, junto con el académico visitante del CCA y profesor de la Universidad de Columbia, Uri Levin, y el profesor de la Universidad de Tel Aviv, Amir Levinson, simuló las condiciones (incluidos los campos magnéticos y las tasas de enfriamiento) encontradas después del colapso de una estrella masiva en rotación. Las simulaciones demostraron que el colapso de las estrellas podría producir ondas gravitacionales lo suficientemente fuertes como para ser visibles desde unos 50 millones de años luz de distancia. Esta distancia es menos de una décima parte del rango detectable de ondas gravitacionales más poderosas provenientes de la fusión de agujeros negros o estrellas de neutrones, aunque sigue siendo más poderosa que cualquier evento sin fusión simulado hasta la fecha.

Resultados inesperados en patrones de ondas gravitacionales

Gottlieb dice que los nuevos resultados fueron una sorpresa. Los científicos pensaban que un colapso caótico crearía una mezcla de ondas que sería difícil distinguir entre el ruido cósmico de fondo. Imagínese una orquesta preparándose para tocar. Cuando cada intérprete toca sus propias notas, puede resultar difícil distinguir qué melodía proviene de una sola flauta o tuba. Por otro lado, las ondas gravitacionales generadas por la fusión de dos objetos crean señales claras y poderosas, como una orquesta tocando junta. 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 revolución. El ritmo casi idéntico de las ondas amplifica la señal a un nivel detectable. Nuevas simulaciones muestran que los discos que giran alrededor de estrellas en colapso también pueden emitir ondas gravitacionales que se amplifican juntas, al igual que los objetos compactos que orbitan en fusiones.

La fuerza de las olas impulsadas por el coloso.

«Pensé que la señal sería más caótica porque el disco es una distribución continua de gas con materia que gira en diferentes órbitas», dice Gottlieb. «Descubrimos que las ondas gravitacionales de estos discos se emiten de manera coherente y también son bastante fuertes».

No sólo la señal esperada del colapso de los discos estelares es lo suficientemente fuerte como para ser detectada por LIGO, sino que los cálculos de Gottlieb sugieren que algunos de los eventos pueden estar ya presentes en conjuntos de datos existentes. Los detectores de ondas gravitacionales propuestos, como el Observatorio Cosmic Explorer y el Observatorio Einstein, podrían detectar docenas de ellas anualmente.

Estrategias de detección de eventos de colisión

La comunidad de ondas gravitacionales ya está interesada en buscar estos eventos, pero no es una tarea fácil. El nuevo trabajo ha calculado firmas de ondas gravitacionales para un número modesto de posibles eventos de colapso estelar. Sin embargo, las estrellas abarcan una amplia gama de patrones de masa y rotación, lo que crearía diferencias en las señales de ondas gravitacionales calculadas.

«En principio, sería mejor ejecutar una simulación de un millón de estrellas colapsadas para poder crear un modelo general», dice Gottlieb, «pero desafortunadamente, tales simulaciones son muy costosas, por lo que ahora tenemos que elegir otras estrategias».

Los científicos pueden observar datos históricos para ver si hay eventos similares a los simulados por Gottlieb. Pero dada la diversidad de estrellas, cada una lleva una señal potencialmente única, y es poco probable que los científicos encuentren una coincidencia con una de las señales simuladas. Otra estrategia es utilizar otras señales de eventos de colapso cercanos, como supernovas o estallidos de rayos gamma emitidos durante el colapso de una estrella, y luego buscar en los archivos de datos para ver si se detectó alguna onda gravitacional en esa región del cielo aproximadamente al mismo tiempo. tiempo.

Implicaciones para comprender los agujeros negros

La detección de ondas gravitacionales generadas por el colapso estelar ayudaría a los científicos a comprender mejor la estructura interna de una estrella a medida que colapsa y también les permitiría aprender sobre las propiedades de los agujeros negros, dos temas que aún no se comprenden bien.

«Estas son cosas que no podemos detectar de otra manera», dice Gottlieb. «La única forma en que podemos estudiar estas regiones estelares internas que rodean el agujero negro es a través de ondas gravitacionales».

Referencia: «¿En la mira de LIGO? Fuertes ondas gravitacionales coherentes de discos colapsar enfriados» por Ore Gottlieb, Amir Levinson y Yuri Levin, 22 de agosto de 2024. Cartas de revistas astrofísicas.
DOI: 10.3847/2041-8213/ad697c