Una nueva e inesperada fuente de ondas gravitacionales

hasta ahora, ondas gravitacionales Solo han sido descubiertos por astrofísicos de sistemas binarios: fusiones de dos agujeros negros, dos estrellas de neutrones o una de cada. En teoría, debería ser posible detectar ondas gravitacionales emitidas por una sola fuente no binaria, pero estas señales esquivas aún no se han detectado.

Ahora, investigadores de la Universidad de Northwestern sugieren que estas escurridizas señales se pueden buscar en un área nueva, inesperada y completamente inexplorada: los capullos de escombros turbulentos y vibrantes que rodean a las estrellas masivas moribundas.

Por primera vez, los investigadores han utilizado simulaciones de última generación para demostrar que estos capullos pueden emitir ondas gravitacionales. A diferencia de los chorros de rayos gamma, las ondas gravitacionales de las pupas deben estar dentro del rango de frecuencia utilizado por el Observatorio de interferómetro láser de ondas gravitacionales (Lego) puede ser detectado.

«Hasta el día de hoy, LIGO solo ha detectado ondas gravitacionales de sistemas binarios, pero algún día detectará la primera fuente no binaria de ondas gravitacionales», dijo Orr Gottlieb de Northwestern, quien dirigió el estudio. «Los capullos son uno de los primeros lugares en los que tenemos que buscar este tipo de fuente».

Gottlieb presentó recientemente la investigación durante una conferencia de prensa virtual en la 242ª reunión de la Sociedad Astronómica Estadounidense.

La nueva fuente ‘era imposible de ignorar’

Para realizar el estudio, Gottlieb y sus colaboradores utilizaron simulaciones nuevas y de última generación para modelar el colapso de una estrella masiva. Cuando las estrellas masivas colapsan en agujeros negros, pueden crear poderosos chorros (o chorros) de partículas que viajan a una velocidad cercana a la de la luz. La simulación de Gottlieb modeló este proceso, desde el momento en que una estrella colapsa hasta Agujero negro hasta que el avión escapa.

Primero, quería ver si el disco de acreción que se forma alrededor de un agujero negro podría emitir ondas gravitacionales detectables. Pero algo inesperado seguía surgiendo de sus datos.

Evolución del capullo de chorro desde el nacimiento por el agujero negro hasta la penetración desde la estrella (el mapa de colores es el logaritmo de la amplitud de la tensión fuera del eje y el sonido refleja la frecuencia GW). Crédito: Mineral Gottlieb/CIERA/Northwestern University

«Cuando calculé las ondas gravitacionales de la vecindad del agujero negro, encontré otra fuente que interrumpió mis cálculos: el capullo», dijo Gottlieb. «Traté de ignorarlo. Pero me resultó imposible ignorarlo. Luego me di cuenta de que el capullo era una fuente de ondas gravitacionales emocionante».

Cuando los chorros golpean las capas colapsadas de la estrella moribunda, se forma una burbuja o «capullo» alrededor del chorro. Los capullos son lugares turbulentos, donde los gases calientes y los desechos se mezclan al azar y se expanden en todas direcciones desde el chorro. Gottlieb explicó que a medida que la burbuja energética acelera fuera del plano, perturba el espacio-tiempo creando una ola de ondas gravitacionales.

«Un chorro se dispara profundamente en una estrella y luego se abre camino para escapar», dijo Gottlieb. «Es como cuando perforas un agujero en la pared. La broca giratoria golpea la pared y los escombros se derraman fuera de la pared. Esa broca emite energía material. Del mismo modo, el chorro perfora la estrella, lo que hace que el material de la estrella se caliente y se derrame. Estos escombros forman las capas calientes de un capullo».

Un llamado a la acción para mirar los capullos

Si las pupas realmente generan ondas gravitacionales, dijo Gottlieb, LIGO debería poder detectarlas en sus próximas ejecuciones. Los investigadores suelen buscar ondas gravitacionales de una sola fuente a partir de estallidos de rayos gamma o supernovas, pero los astrofísicos dudan de la capacidad de LIGO para detectarlas.

«Tanto los chorros como las supernovas son explosiones muy energéticas», dijo Gottlieb. Pero solo podemos detectar ondas gravitacionales de explosiones asimétricas de mayor frecuencia. Las supernovas son esféricas y más o menos simétricas, por lo que las explosiones esféricas no alteran la distribución de masa equilibrada en la estrella para emitir ondas gravitacionales. Los estallidos de rayos gamma duran decenas de segundos, por lo que la frecuencia es muy pequeña, menos que el rango de frecuencia que afecta a LIGO».

Vista de 360° del capullo de una estrella moribunda (el mapa de colores es la amplitud de la tensión logarítmica). Crédito: Ore Gottlieb/CIERA/Universidad de Northwestern

En cambio, Gottlieb está pidiendo a los astrofísicos que redirijan su atención a los capullos, que son asimétricos y muy energéticos.

«Nuestro estudio es un llamado a la acción para que la sociedad considere a las pupas como una fuente de ondas gravitacionales», dijo. «También sabemos que las pupas emiten radiación electromagnética, por lo que pueden ser eventos multimensaje. Al estudiarlas, podemos aprender más sobre lo que sucede en la parte más interna de las estrellas, las propiedades de los chorros y su propagación en las explosiones estelares».

Referencia: «Mortalidad estelar fluida y turbulenta: nuevas fuentes de ondas gravitacionales LVK detectables» por Ore Gottlieb, Hiroki Nagakura, Alexander Tchekhovskoy, Priyamvada Natarajan, Enrico Ramirez-Ruiz, Sharan Banagiri, Jonatan Jacquemin-Ideicky, 20 Kaaz el Cartas de revistas astrofísicas.
DOI: 10.3847/2041-8213/ace03a

Gottlieb es miembro de CIERA en el Centro de Exploración e Investigación Interdisciplinaria en Astrofísica (CIERA) de Northwestern. Los coautores del estudio de la Universidad Northwestern incluyen a los profesores Vicki Kalogera y Aleksandr Tchikovskoy, los becarios postdoctorales Sharan Panagiri y Jonathan Jacmin-Eddy y el estudiante graduado Nick Kaz.

El estudio fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias, NASAy el Programa de Investigadores Invitados del Ciclo Fermi 14. Estas simulaciones avanzadas son posibles gracias a la cumbre de supercomputadoras del Laboratorio Nacional Oak Ridge del DOE y la supercomputadora Perlmutter de NERC a través del premio ASCR Computational Time Leadership Challenge.