stringtranslate.com

Fondo de ondas gravitacionales

El fondo de ondas gravitacionales (también GWB y fondo estocástico ) es un fondo aleatorio de ondas gravitacionales que permean el Universo , que es detectable mediante experimentos de ondas gravitacionales, como los conjuntos de sincronización de púlsares . [1] La señal puede ser intrínsecamente aleatoria, como la de los procesos estocásticos en el Universo temprano, o puede ser producida por una superposición incoherente de una gran cantidad de fuentes de ondas gravitacionales independientes débiles no resueltas, como los sistemas binarios de agujeros negros supermasivos. Detectar el fondo de ondas gravitacionales puede proporcionar información que es inaccesible por cualquier otro medio sobre la población de fuentes astrofísicas, como los hipotéticos sistemas binarios de agujeros negros supermasivos antiguos, y los procesos del Universo temprano, como la hipotética inflación primordial y las cuerdas cósmicas . [2]

Fuentes de un fondo estocástico

Se han planteado varias fuentes potenciales para el fondo en varias bandas de frecuencia de interés, y cada una de ellas produce un fondo con diferentes propiedades estadísticas. Las fuentes del fondo estocástico se pueden dividir en dos categorías: fuentes cosmológicas y fuentes astrofísicas.

Fuentes cosmológicas

Los antecedentes cosmológicos pueden surgir de varias fuentes del universo primitivo. Algunos ejemplos de estas fuentes primordiales incluyen campos escalares inflacionarios variables en el tiempo en el universo primitivo, mecanismos de "precalentamiento" después de la inflación que involucran transferencia de energía de partículas inflatonales a materia regular, transiciones de fase cosmológicas en el universo primitivo (como la transición de fase electrodébil ), cuerdas cósmicas , etc. Si bien estas fuentes son más hipotéticas, la detección de un fondo de ondas gravitacionales primordiales a partir de ellas sería un descubrimiento importante de nueva física y tendría un profundo impacto en la cosmología del universo primitivo y en la física de alta energía . [3] [4]

Fuentes astrofísicas

Un fondo astrofísico se produce por el ruido combinado de muchas fuentes astrofísicas débiles, independientes y no resueltas. [2] Por ejemplo, se espera que el fondo astrofísico de las fusiones de agujeros negros binarios de masa estelar sea una fuente clave del fondo estocástico para la generación actual de detectores de ondas gravitacionales terrestres. Los detectores LIGO y Virgo ya han detectado eventos de ondas gravitacionales individuales de tales fusiones de agujeros negros. Sin embargo, habría una gran población de tales fusiones que no serían resolubles individualmente, lo que produciría un zumbido de ruido de aspecto aleatorio en los detectores. Otras fuentes astrofísicas que no son resolubles individualmente también pueden formar un fondo. Por ejemplo, una estrella suficientemente masiva en la etapa final de su evolución colapsará para formar un agujero negro o una estrella de neutrones ; en el colapso rápido durante los momentos finales de un evento de supernova explosivo , que puede conducir a tales formaciones, las ondas gravitacionales pueden liberarse teóricamente. [5] [6] Además, en las estrellas de neutrones que giran rápidamente hay toda una clase de inestabilidades impulsadas por la emisión de ondas gravitacionales. [ cita requerida ]

La naturaleza de la fuente también depende de la banda de frecuencia sensible de la señal. La generación actual de experimentos terrestres como LIGO y Virgo son sensibles a las ondas gravitacionales en la banda de frecuencia de audio entre aproximadamente 10 Hz y 1000 Hz. En esta banda, la fuente más probable del fondo estocástico será un fondo astrofísico proveniente de fusiones de estrellas de neutrones binarias y agujeros negros binarios de masa estelar. [7]

Un medio alternativo de observación es el uso de conjuntos de sincronización de pulsares (PTA, por sus siglas en inglés). Tres consorcios (el European Pulsar Timing Array [EPTA], el North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves [NANOGrav] y el Parkes Pulsar Timing Array [PPTA]) se coordinan como el International Pulsar Timing Array . Utilizan radiotelescopios para monitorear el conjunto galáctico de pulsares de milisegundos, que forman un detector a escala galáctica sensible a las ondas gravitacionales con frecuencias bajas en el rango de nanohercios a 100 nanohercios. Con los telescopios existentes, se necesitan muchos años de observación para detectar una señal, y la sensibilidad del detector mejora gradualmente. Los límites de sensibilidad se están acercando a los esperados para las fuentes astrofísicas. [8]

En los centros de las galaxias se encuentran agujeros negros supermasivos con masas de 10 5 –10 9 masas solares . No se sabe qué surgió primero, los agujeros negros supermasivos o las galaxias, ni cómo evolucionaron. Cuando las galaxias se fusionan, se espera que sus agujeros negros supermasivos centrales también lo hagan. [9] Estos sistemas binarios supermasivos producen potencialmente las señales de ondas gravitacionales de baja frecuencia más fuertes; los más masivos de ellos son fuentes potenciales de un fondo de ondas gravitacionales de nanohercios, que en principio es detectable por los PTA . [10]

Detección

Gráfico de correlación entre púlsares observados por NANOGrav (2023) vs separación angular entre púlsares, comparado con un modelo teórico Hellings-Downs (púrpura discontinuo) y si no hubiera fondo de ondas gravitacionales (verde sólido) [11] [12]

El 11 de febrero de 2016, las colaboraciones LIGO y Virgo anunciaron la primera detección y observación directa de ondas gravitacionales, que tuvo lugar en septiembre de 2015. En este caso, dos agujeros negros habían colisionado para producir ondas gravitacionales detectables. Este es el primer paso hacia la posible detección de una onda gravitacional de gran tamaño. [13] [14]

El 28 de junio de 2023, la colaboración del Observatorio Nanohertz de Ondas Gravitacionales de América del Norte anunció evidencia de una GWB utilizando datos de observación de una matriz de púlsares de milisegundos . [15] [16] Las observaciones de EPTA , [17] el Observatorio Parkes [18] y la Matriz de Sincronización de Púlsares de China (CPTA) [19] [20] también se publicaron el mismo día, proporcionando una validación cruzada de la evidencia de la GWB utilizando diferentes telescopios y métodos de análisis. [21] Estas observaciones proporcionaron la primera medición de la curva teórica de Hellings-Downs , es decir, la correlación cuadrupolar y multipolar superior entre dos púlsares en función de su separación angular en el cielo, que es un signo revelador del origen de la onda gravitacional del fondo observado. [22] [23]

Las fuentes de este fondo de ondas gravitacionales no se pueden identificar sin más observaciones y análisis, aunque los sistemas binarios de agujeros negros supermasivos son los principales candidatos. [1]

Véase también

Referencias

  1. ^ ab O'Callaghan, Jonathan (4 de agosto de 2023). "Un 'zumbido' de fondo invade el universo. Los científicos se apresuran a encontrar su origen: los astrónomos ahora están tratando de determinar los orígenes de una nueva y emocionante forma de ondas gravitacionales que se anunció a principios de este año". Scientific American . Archivado desde el original el 4 de agosto de 2023. Consultado el 4 de agosto de 2023 .
  2. ^ ab Romano, Joseph D.; Cornish, Neil. J. (2017). "Métodos de detección para fondos de ondas gravitacionales estocásticas: un tratamiento unificado". Living Reviews in Relativity . 20 (1): 2. arXiv : 1608.06889 . Código Bibliográfico :2017LRR....20....2R. doi :10.1007/s41114-017-0004-1. ISSN  2367-3613. PMC 5478100 . PMID  28690422. 
  3. ^ Krauss, Lawrence D; Dodelson, Scott; Meyer, Stephan (21 de mayo de 2010). "Ondas gravitacionales primordiales y cosmología". Science . 328 (5981): 989–992. arXiv : 1004.2504 . Bibcode :2010Sci...328..989K. doi :10.1126/science.1179541. PMID  20489015. S2CID  11804455.
  4. ^ Christensen, Nelson (21 de noviembre de 2018). "Fondos de ondas gravitacionales estocásticas". Informes sobre el progreso en física . 82 (1): 016903. arXiv : 1811.08797 . doi :10.1088/1361-6633/aae6b5. PMID  30462612. S2CID  53712558.
  5. ^ Ott, Christian D.; et al. ( 2012). "Supernovas de colapso del núcleo, neutrinos y ondas gravitacionales". Suplementos de actas de Física nuclear B. 235 : 381–387. arXiv : 1212.4250 . Código Bibliográfico : 2013NuPhS.235..381O. doi : 10.1016/j.nuclphysbps.2013.04.036. S2CID  34040033.
  6. ^ Fryer, Chris L.; New, Kimberly CB (2003). "Ondas gravitacionales a partir del colapso gravitacional". Living Reviews in Relativity . 6 (1): 2. arXiv : gr-qc/0206041 . Bibcode :2003LRR.....6....2F. doi : 10.12942/lrr-2003-2 . ​​PMC 5253977 . PMID  28163639. 
  7. ^ Abbott, BP; Abbott, R.; Abbott, TD; Acernese, F.; Ackley, K.; Adams, C.; Adams, T.; Addesso, P.; Adhikari, RX; Adya, VB; Affeldt, C.; Afrough, M.; Agarwal, B.; Agathos, M.; Agatsuma, K. (28 de febrero de 2018). "GW170817: Implicaciones para el fondo de ondas gravitacionales estocásticas a partir de coalescencias binarias compactas". Physical Review Letters . 120 (9): 091101. arXiv : 1710.05837 . Código Bibliográfico :2018PhRvL.120i1101A. doi : 10.1103/PhysRevLett.120.091101 . Revista de Biología Molecular  y  Genética .
  8. ^ Sesana, A. (22 de mayo de 2013). "Investigación sistemática de la señal de onda gravitacional esperada de sistemas binarios de agujeros negros supermasivos en la banda de tiempo de los púlsares". Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters . 433 (1): L1–L5. arXiv : 1211.5375 . Bibcode :2013MNRAS.433L...1S. doi : 10.1093/mnrasl/slt034 . S2CID  11176297.
  9. ^ Volonteri, Marta; Haardt, Francesco; Madau, Piero (10 de enero de 2003). "La historia de ensamblaje y fusión de agujeros negros supermasivos en modelos jerárquicos de formación de galaxias". The Astrophysical Journal . 582 (2): 559–573. arXiv : astro-ph/0207276 . Código Bibliográfico :2003ApJ...582..559V. doi :10.1086/344675. S2CID  2384554.
  10. ^ Sesana, A.; Vecchio, A.; Colacino, CN (11 de octubre de 2008). "El fondo estocástico de ondas gravitacionales de sistemas binarios de agujeros negros masivos: implicaciones para las observaciones con matrices de sincronización de pulsares". Monthly Notices of the Royal Astronomical Society . 390 (1): 192–209. arXiv : 0804.4476 . Bibcode :2008MNRAS.390..192S. doi : 10.1111/j.1365-2966.2008.13682.x . S2CID  18929126.
  11. ^ "Enfoque en el conjunto de datos de 15 años de NANOGrav y el fondo de ondas gravitacionales". The Astrophysical Journal Letters . Junio ​​de 2023. Consultado el 29 de junio de 2023 .
  12. ^ Sanders, Robert (29 de junio de 2023). "Después de 15 años, la sincronización de los púlsares proporciona evidencia de un fondo de ondas gravitacionales cósmicas". Berkeley News .
  13. ^ Abbott, BP; et al. (2016). "Observación de ondas gravitacionales a partir de una fusión de agujeros negros binarios". Phys. Rev. Lett. 116 (6): 061102. arXiv : 1602.03837 . Código Bibliográfico :2016PhRvL.116f1102A. doi :10.1103/PhysRevLett.116.061102. PMID  26918975. S2CID  124959784.
  14. ^ Castelvecchi, Davide; Witze, Alexandra (11 de febrero de 2016). «Por fin se han descubierto las ondas gravitacionales de Einstein». Nature News . doi :10.1038/nature.2016.19361. S2CID  182916902 . Consultado el 11 de febrero de 2016 .
  15. ^ Miller, Katrina (28 de junio de 2023). "Los astrónomos descubren que el cosmos vibra con ondas gravitacionales: los radiotelescopios de todo el mundo detectaron un zumbido revelador que reverbera en todo el cosmos, probablemente proveniente de la fusión de agujeros negros supermasivos en el universo primitivo". The New York Times . ISSN  0362-4331. Archivado desde el original el 29 de junio de 2023 . Consultado el 29 de junio de 2023 .
  16. ^ Agazie, Gabriella; Anumarlapudi, Akash; Archibald, Anne M.; Arzoumanian, Zaven; Baker, Paul T.; Bécsy, Bence; Blecha, Laura; Brazier, Adam; Brook, Paul R.; Burke-Spolaor, Sarah; Burnette, Rand; Case, Robin; Charisi, Maria; Chatterjee, Shami; Chatziioannou, Katerina (junio de 2023). "El conjunto de datos de 15 años de NANOGrav: evidencia de un fondo de ondas gravitacionales". The Astrophysical Journal Letters . 951 (1): L8. arXiv : 2306.16213 . Código Bibliográfico :2023ApJ...951L...8A. doi : 10.3847/2041-8213/acdac6 . ISSN  2041-8205. Número de identificación del sujeto  259274684.
  17. ^ Antoniadis, J. (28 de junio de 2023). "Segunda publicación de datos del European Pulsar Timing Array". Astronomía y Astrofísica . 678 : A50. arXiv : 2306.16214 . doi :10.1051/0004-6361/202346844. S2CID  259274756.
  18. ^ Reardon, Daniel J.; Zic, Andrew; Shannon, Ryan M.; Hobbs, George B.; Bailes, Matthew; Di Marco, Valentina; Kapur, Agastya; Rogers, Axl F.; Thrane, Eric; Askew, Jacob; Bhat, ND Ramesh; Cameron, Andrew; Curyło, Małgorzata; Coles, William A.; Dai, Shi (29 de junio de 2023). "Búsqueda de un fondo de ondas gravitacionales isotrópicas con el Parkes Pulsar Timing Array". The Astrophysical Journal Letters . 951 (1): L6. arXiv : 2306.16215 . Código Bibliográfico :2023ApJ...951L...6R. doi : 10.3847/2041-8213/acdd02 . ISSN  2041-8205. Número de identificación del sujeto  259275121.
  19. ^ Xu, Heng; Chen, Siyuan; Guo, Yanjun; Jiang, Jinchen; Wang, Bojun; Xu, Jiangwei; Xue, Zihan; Nicolás Caballero, R.; Yuan, Jianping; Xu, Yonghua; Wang, Jingbo; Hao, Longfei; Luo, Jingtao; Lee, Kejia; Han, Jinlin (29 de junio de 2023). "Búsqueda del fondo de onda gravitacional estocástica de nanohercios con la publicación I de datos de la matriz de sincronización del pulsar chino". Investigación en Astronomía y Astrofísica . 23 (7): 075024. arXiv : 2306.16216 . Código Bib : 2023RAA....23g5024X. doi :10.1088/1674-4527/acdfa5. ISSN  1674-4527. Número de identificación del sujeto  259274998.
  20. ^ "Investigando los secretos del universo: evidencia clave de las ondas gravitacionales de nanohercios". scitechdaily.com . Academia China de Ciencias. 2 de julio de 2023 . Consultado el 21 de julio de 2023 . Científicos chinos han encontrado recientemente evidencia clave de la existencia de ondas gravitacionales de nanohercios, lo que marca una nueva era en la investigación gravitacional de nanohercios.
  21. ^ Rini, Matteo (2023). "Investigadores capturan un fondo de ondas gravitacionales con "antenas" de pulsar". Física . 16 . Física 16, 118 (29 de junio de 2023): 118. Bibcode :2023PhyOJ..16..118R. doi : 10.1103/Physics.16.118 . S2CID  260750773. Cuatro colaboraciones independientes han detectado un fondo de ondas gravitacionales que pasa a través de nuestra galaxia, abriendo una nueva ventana a los procesos astrofísicos y cosmológicos que podrían producir tales ondas.
  22. ^ Jenet, Fredrick A.; Romano, Joseph D. (1 de julio de 2015). "Comprensión de la curva de Hellings y Downs de ondas gravitacionales para matrices de sincronización de púlsares en términos de ondas sonoras y electromagnéticas". American Journal of Physics . 83 (7): 635–645. arXiv : 1412.1142 . Código Bibliográfico :2015AmJPh..83..635J. doi :10.1119/1.4916358. S2CID  116950137.
  23. ^ Romano, Joseph D.; Allen, Bruce (30 de enero de 2024). "Respuestas a preguntas frecuentes sobre la curva Hellings y Downs del conjunto de cronometraje de púlsares". arXiv : 2308.05847v2 [gr-qc].

Enlaces externos