Detectando o efeito de memória das ondas gravitacionais em supernovas de colapso do núcleo

A teoria da gravidade de Einstein, a relatividade geral, passou em todos os testes com previsões que são certeiras. Uma previsão que permanece é a "memória de onda gravitacional" — a previsão de que uma onda gravitacional passageira mudará permanentemente a distância entre objetos cósmicos. 

Ondulações de ondas gravitacionais com o efeito de memória podem ser detectadas pela proposta Laser Interferometer Space Antenna (LISA). Crédito: Physics magazine e American Physical Society 

Acredita-se que supernovas — estrelas em colapso que explodem para fora — sejam geradoras de ondas gravitacionais , embora nenhuma tenha sido definitivamente detectada pelos interferômetros de ondas gravitacionais na Terra. Nem o efeito de memória de ondas gravitacionais foi visto, de fusões ou supernovas, devido à sensibilidade limitada dos interferômetros abaixo de frequências de onda de 10 hertz.

Mas agora um novo estudo apresenta uma abordagem para detectar o efeito usando observatórios de ondas gravitacionais existentes atualmente. O artigo foi publicado na Physical Review Letters .

Até o momento, todas as ondas gravitacionais detectadas se originaram de fusões buraco negro-buraco negro, fusões estrela de nêutrons-estrela de nêutrons ou fusões de uma de cada . Mas espera-se que supernovas em colapso com massa maior que cerca de 10 massas solares também emitam ondas gravitacionais, embora de menor amplitude de onda e com uma assinatura diferente em um interferômetro de ondas gravitacionais.

Em tais supernovas, chamadas de "supernovas de colapso de núcleo" (CCSN), o núcleo de uma estrela massiva sofre um colapso repentino quando a energia gerada pela sua energia de fusão não consegue mais neutralizar a gravidade da própria estrela.

Isso resulta em uma onda de choque de saída da implosão. Parte da energia para fora estará na forma de ondas gravitacionais devido ao momento quadrupolo variável da estrela — com energia total de cerca de 10 40 joules — a menos que a matéria da estrela seja expelida isotropicamente. (Ao contrário das ondas eletromagnéticas, as ondas gravitacionais não têm momento dipolar devido à conservação do momento.)

Também são emitidos luz visível e neutrinos, abrindo a possibilidade de detecção de múltiplos mensageiros quando eles chegam à Terra.

As ondas gravitacionais da CCSN seriam especialmente úteis porque os sinais eletromagnéticos da supernova vêm de sua borda, enquanto as ondas gravitacionais são geradas profundamente em seu interior e, portanto, contêm informações que não estariam disponíveis de outra forma.

No entanto, as ondas gravitacionais do CCSN têm uma amplitude menor do que aquelas de fusões buraco negro-buraco negro, com uma tensão de uma a duas ordens de magnitude menor (a tensão depende inversamente da distância da fonte da Terra). Suas frequências são geralmente mais baixas, sua duração é mais curta e o sinal é mais complexo e menos distinto do que de fusões massivas de dois corpos.

No entanto, em ondas gravitacionais de frequência mais baixa do CCSN, aproximadamente menos de 10 hertz, as ondas têm um componente de "memória" gravitacional devido ao movimento da matéria anisotrópica e à emissão asférica de neutrinos. Se a explosão de neutrinos do CCSN não for isotrópica, ela gerará radiação gravitacional adicional daquela do colapso.

Originadas por ondas emitidas anteriormente, essas ondas de " explosões com memória " são uma classe diferente de radiação gravitacional, onde a perturbação gravitacional em qualquer ponto aumenta de zero, oscila por alguns ciclos e, então, em vez de cair de volta a zero, se estabiliza em um valor final diferente de zero.

O efeito de memória da onda gravitacional nunca foi detectado. Detectores de alta frequência como o LIGO avançado são, em sua maioria, insensíveis ao efeito de memória porque o tempo de resposta desses detectores é geralmente muito menor do que o tempo característico para a parte não oscilatória do sinal da onda gravitacional acumular-se até seu valor final.

Interferômetros maiores, como o Laser Interferometer Space Antenna (LISA) baseado no espaço proposto, são melhores porque têm melhor sensibilidade nas bandas de frequência mais baixas, onde fontes de memória típicas são mais fortes. (Menor frequência significa maior comprimento de onda, então a detecção requer braços de interferômetro de maior comprimento.)

Colter J Richardson, da Universidade do Tennessee, com colegas de modelagem e análise de dados de CCSN dos EUA, Suécia e Polônia, estudaram o efeito memória usando três simulações tridimensionais de última geração de CCSNs não rotativas com massas de até 25 massas solares, usando um modelo chamado CHIMERA.

Sua massa mais baixa, de 9,6 massas solares, é representativa de CCSNs de menor massa; todos os sinais de ondas gravitacionais de seus modelos mostraram o "lento aumento para um valor de deformação diferente de zero, característico da memória", escreveram eles.

Os sinais de ondas gravitacionais das explosões do CCSN foram em grande parte aleatórios, mas eles descobriram que o aumento (das amplitudes das ondas) e as fases de memória exibiram "um alto grau de regularidade" que poderia ser bem aproximado por funções logísticas típicas de estudos de crescimento populacional.

Eles descobriram que os sinais de ondas gravitacionais dos CCSNs persistiram por mais de um segundo. (Por outro lado, o primeiro sinal de onda gravitacional em 2015 durou apenas 0,2 segundos.) Eles aplicaram filtros aos sinais para remover ruído, o que reduziu a subida até o pico do sinal, mas não o apagou.

Após um refinamento adicional, eles aplicaram filtragem combinada ao sinal final, que também é usado em detectores de ondas gravitacionais atuais — pesquisando em um grande número de formas de onda de modelo previamente calculadas para encontrar qualquer uma que seja altamente correlacionada com o sinal do detector refinado.

Eles descobriram que os resultados de seu modelo para um CCSN de 25 massas solares podem ser detectados a 10 quiloparsecs (cerca de 30.000 anos-luz) com uma probabilidade de alarme falso menor que 0,05% — e dentro do alcance dos interferômetros de ondas gravitacionais atuais.

"Os esforços atuais ao redor do mundo para a detecção de ondas gravitacionais de supernovas de colapso de núcleo são substanciais", disse Richardson. "Além de oferecer outra estratégia de detecção, esperamos que esta carta motive novas investigações na região de baixa frequência da astronomia de ondas gravitacionais."

Ele observou que existem vários caminhos para pesquisas futuras, "desde a aplicação de nossa metodologia aos eventos de fusão mais comuns até a investigação de como a próxima geração de detectores será sensível à memória".

Fonte: phys.org