10 Novos eventos de fusão em dados de ondas gravitacionais

Uma equipe independente encontrou fusões adicionais de buracos negros nos dados do LIGO.

 Imagem simulada da fusão de um binário de buraco negro.Lente SXS

As colaborações unidas LIGO, Virgo e KAGRA (LVK) até agora contabilizaram 90 eventos de ondas gravitacionais , quase todos os quais foram a fusão de dois buracos negros. Do total, 44 foram capturados durante a primeira metade da terceira corrida de observação dos detectores , chamada O3a, que durou de abril a outubro de 2019. 

Mas os pesquisadores da LVK não são os únicos a rastrear os dados. As colaborações tornam os dados públicos para outros cientistas explorarem, e equipes independentes mergulharam com suas próprias técnicas de análise. 

Uma dessas equipes é um grupo internacional com seu centro no Instituto de Estudos Avançados (IAS) em Nova Jersey, que em 2019 descobriu sete fusões adicionais da segunda corrida de observação. Os pesquisadores agora analisaram os dados mais recentes do O3a, usando apenas eventos vistos por ambos os sites do LIGO. Essa análise revelou 10 novas fusões candidatas e também recuperou uma que os colaboradores da LVK haviam descartado, informou Seth Olsen (Princeton) no início deste mês na reunião da American Physical Society. 

Mas não podemos simplesmente somar esses 11 aos 90. A questão das ondas gravitacionais é que não podemos simplesmente olhar para o céu e dizer: “Ah, estou vendo!” Precisamos de “óculos” computacionais. E quais óculos usamos são importantes. 

Os pesquisadores detectam eventos de ondas gravitacionais medindo o alongamento e compressão infinitesimal que as ondulações do espaço-tempo induzem em instrumentos de escala de quilômetros. Essas mudanças são da ordem de 10 −21 , equivalente a ajustar o tamanho da órbita da Terra pela largura de um átomo de hidrogênio. As ondas também se escondem em muito barulho, tanto do próprio equipamento quanto do ambiente, seja vento, madeira ou pássaros bicando. 

Para desvendar os sinais, os pesquisadores do LVK têm vários pipelines , cadeias de processos de computação que limpam e avaliam os dados. Alguns pipelines contam com bancos de modelos, vastas bibliotecas de formas de sinais potenciais que os teóricos calcularam antecipadamente para diferentes tipos de eventos. Outros pipelines adotam uma abordagem mais agnóstica, simplesmente procurando um excesso em vez de sinais específicos. 

As escolhas feitas nesses pipelines determinam quais sinais aparecem em segundo plano – em outras palavras, ajuste a prescrição e você ajusta o que vê. Por exemplo, devido a suposições sobre o intervalo de rotações dos objetos de fusão, o LVK favorece rotações menores em suas detecções. 

Outras equipes usam seus próprios pipelines, com suas próprias premissas e prioridades. O pipeline IAS melhora a eficiência da computação, mas também faz coisas como ignorar alguns dos eventos mais altos, para ser mais sensível aos silenciosos. Seu conjunto de suposições torna a equipe do IAS menos sensível aos eventos mais prováveis, mas mais sensível aos exóticos, explicou Olsen durante uma entrevista coletiva. 

Graças a essas escolhas, o pipeline do IAS “perdeu” seis eventos do O3a, mas ganhou 11. Estatisticamente falando, no entanto, três das novas detecções provavelmente serão por acaso.

Imagem estática de uma simulação de fusão de dois buracos negros de massas muito diferentes balançando um ao redor do outro em sua órbita inspiradora. As cores mais vermelhas representam ondas mais fortes. Essa simulação corresponde às características do GW190412, que os pipelines LVK e IAS detectaram. N. Fischer, H. Pfeiffer, A. Buonanno (Max Planck Institute for Gravitational Physics), Simulando eXtreme Spacetimes (SXS) Colaboração

Um gosto pelo exótico

Antes das descobertas das ondas gravitacionais, os astrônomos esperavam que os buracos negros tivessem massas entre 5 e 50 sóis . O limite inferior é misterioso, baseado no fato de que não encontramos muitos desses buracos negros menores; não tem fundamento teórico. O limite superior é devido à física estelar: estrelas massivas o suficiente para fazer um buraco negro entre 50 e 120 massas solares não o farão – em vez disso, elas se explodirão em pedacinhos. (Nós provavelmente.) 

As detecções de LVK incluíram um punhado de objetos fora desses limites, e os candidatos IAS adicionam vários outros. Estes incluem GW190711_030756, a fusão de um buraco negro de aproximadamente 80 massas solares com um de 18 massas solares, e GW190704_104834, no qual um buraco negro de 7 massas solares se fundiu com um objeto de 3,2 massas solares (provavelmente um buraco). 

Os poucos objetos de baixa massa não resolvem o mistério em baixas massas – é mais fácil fazer estrelas menos massivas, então deve haver mais buracos negros pequenos do que grandes, e não existem. Talvez as estrelas explodam de uma maneira que naturalmente faça restos de pelo menos 5 massas solares. Por outro lado, os buracos negros robustos são potencialmente subprodutos de uma geração anterior de fusões, ou podem indicar que as reações de fusão dentro das estrelas não são tão eficientes quanto pensamos . 

O oleoduto IAS também detectou um evento candidato que envolveu um grande buraco negro girando quase de cabeça para baixo em torno de seu companheiro: GW190910_012619, a fusão de um buraco negro de 34 massas solares com um objeto de 2,9 massas solares. “Seria tão improvável que isso viesse de dois buracos negros que estiveram juntos por toda a vida”, diz Olsen. Embora já tenhamos visto sinais de giros desalinhados antes, este é dramático. 

Não deixa dúvidas de que os dois buracos negros se uniram no final da vida. “Todo mundo vai dizer: 'Sim, isso é provavelmente uma captura ou algum sistema múltiplo maluco que causou isso.'” Notavelmente, no entanto, esse evento tem uma das menores probabilidades de ser um sinal astrofísico real. Eventos exóticos como esses são fundamentais para desvendar como os buracos negros binários se formam, bem como o quão grande ou pequeno um buraco negro pode ser.

Determinar as massas de dois buracos negros em fusão e como eles giram um ao redor do outro não é simples: as informações estão entrelaçadas nos dados e, portanto, cada evento envolve uma série de massas e rotações possíveis, com alterações em um parâmetro afetando os valores de os outros. (Os contornos sombreados indicam 50% e 90% de probabilidade.) No entanto, para todas as massas consideradas (m1 e m2), o evento GW190910 claramente teve um buraco negro girando quase em sua cabeça (valores negativos de chi efetivo). Isso é verdade independentemente de você usar as suposições IAS (azul) ou as LVK (laranja). Seth Olsen/Princeton

A colaboração LVK acompanha os eventos encontrados por equipes independentes e compara as análises com as suas próprias. “Estamos muito satisfeitos que as pessoas vejam os dados de novas perspectivas e com novas ferramentas”, diz o porta-voz do LIGO, Patrick Brady (Universidade de Wisconsin, Milwaukee). Alguns eventos, como quatro descobertos por Alexander Nitz (Instituto Max Planck de Física Gravitacional, Alemanha) e outros no ano passado , foram posteriormente incorporados ao catálogo do LVK quando os pesquisadores do LVK voltaram e fizeram uma análise mais profunda, diz Brady. 

Mas eles não podem simplesmente adicionar as novas descobertas independentes ao seu próprio catálogo, porque isso prejudicaria a capacidade da LVK de analisar com clareza toda a população de fusões. Esta é a beleza de um campo jovem como a astronomia de ondas gravitacionais”, acrescenta Brady. “Cada nova observação e cada análise dos dados avança nossa compreensão do universo muito rapidamente.” 

Os pesquisadores do LVK estão agora voltando sua atenção para a quarta corrida de observação, programada para começar em dezembro. Eles esperam detectar uma fusão a cada poucos dias. À medida que os eventos se acumulam e a sensibilidade melhora, os excêntricos e as subclasses se tornam mais exploráveis.

Fonte: skyandtelescope.org