La formación de binarias de agujeros negros tras analizar las ondas gravitacionales de LIGO

Dibujo20170823 The spin properties of black-hole systems nature 548397a-f1

Las ondas gravitacionales detectadas de forma directa por LIGO están asociadas a la fusión de binarias de agujeros negros. ¿Cómo se formaron estos sistemas binarios? Hay tres teorías propuestas. Solo se han detectado cuatro señales que apuntan a una de ellas; según un artículo publicado en Nature si se detectaran unas diez señales más se podría sesgar entre dichas teorías. La clave para ello es la estimación del espín (momento angular y eje de rotación) de los agujeros negros de tipo Kerr que forman el sistema binario, y su alineación o desalineación con el eje de rotación del sistema binario.

Lo relevante del nuevo artículo es que estima el número de nuevas detecciones necesarias para decidir la cuestión sobre la formación de estos sistemas binarios; más aún, el valor estimado es muy bajo, luego pronto tendremos la respuesta. Sin embargo, a mí lo que más me llama la atención es que este artículo se haya publicado en Nature. Sin desmerecer el trabajo de los autores me parece que no tiene la relevancia científica suficiente. Creo que el editor lo ha publicado porque la colaboración LIGO/Virgo está publicando sus observaciones en Physical Review Letters en lugar de Nature. Quizás el editor desea una guinda del pastel de las citas en el campo de las ondas gravitacionales.

El artículo es Will M. Farr, Simon Stevenson, …, Alberto Vecchio, “Distinguishing spin-aligned and isotropic black hole populations with gravitational waves,” Nature 548: 426-429 (24 Aug 2017), doi: 10.1038/nature23453, arXiv:1706.01385 [astro-ph.HE]. Más información divulgativa en Steinn Sigurðsson, “Gravitational waves: History of black holes revealed by their spin,” Nature 548: 397-398 (24 Aug 2017), doi: 10.1038/548397a.

Dibujo20170823 four gravitational waves effective spin prob distribution nature

Se llama espín proyectado efectivo (en inglés effective inspiral spin parameter) a la magnitud χeff = (m1 χ1 + m2 χ2)/(m1 + m2), es decir, un promedio de los espines proyectados individuales χ1 y χ2 con respecto a las masas m1 y m2 de los dos agujeros negros del sistema binario. Recuerda que el espín de un agujero negro tipo Kerr es una magnitud vectorial Si cuyo módulo se suele adimensionalizar a 0 ≤ ai ≤ 1; el valor 0 se da para un agujero negro estático (Schwarzschild) y el 1 para un agujero negro rotatorio (Kerr) de tipo extremal (que rota a la velocidad máxima posible, tal que los puntos de su horizonte se mueven a la velocidad de la luz en el vacío). En un sistema binario interesa la proyección del espín sobre el eje de giro del sistema binario.

La proyección del espín Si en el eje de rotación del sistema binario se adimensionaliza como espín proyectado −1 ≤ χi ≤ 1; el valor +1 se da cuando el espín está alineado con el eje de rotación del sistema binario y rota a la mayor velocidad posible; el valor −1 se da para el espín alineado con el eje de rotación, pero apuntando en la dirección opuesta y rotando a la máxima velocidad posible; el valor 0 se da en dos casos, cuando el agujero negro no rota o el espín apunta en la dirección del plano del sistema binario, perpendicular al eje de giro.

Por ahora las cuatro detecciones de LIGO (incluido el candidato LVT) no permiten discernir los espines proyectados individuales de sus componentes, solo se puede estimar el espín proyectado effectivo −1 ≤ χeff ≤ 1; el valor +1 se da cuando los dos espines están alineados con el eje de rotación del sistema binario y rotan a la mayor velocidad posible; el valor −1 se da para dos espines que están alineados y rotan a la máxima velocidad posible, pero apuntan en la dirección opuesta al eje de rotación del sistema binario; y el valor 0 se da en varios casos, como cuando los agujeros no rotan, como cuando apuntan en la dirección del plano del sistema binario en perpendicular al eje de giro, o como cuando son antiparalelos y apuntan en direcciones opuestas.

Dibujo20170823 models effective spin distribution nature com arxiv 1706 01385

En el nuevo artículo se presentan tres distribuciones de probabilidad posibles para el espín efectivo χeff. Se distingue entre espines alineados (Aligned) y desalineados (Isotropic) con distribución plana (flat) para su espín adimensional p(a) = 1, baja (low) para p(a) = 2 (1−a), y alta (high) para p(a) = 2 a. La distribución de probabilidad para el espín proyectado efectivo p(χeff) se representa en esta figura para cada una de las seis combinaciones anteriores (Flat Isotropic, Flat Aligned, High Isotropic …, Low Aligned).

La comparación entre estas distribuciones de probabilidad p(χeff) con las distribuciones estimadas a partir de las cuatro señales observadas por LIGO nos indica que corresponden a la distribución baja (Low) tanto alineada (Aligned) como desalineada (Isotropic) con un valor p de 0,015, o sea, unas 2,4 sigmas. ¿Qué sería necesario para lograr cinco sigmas? Los cálculos de este estudio indican que bastarían 10 detecciones adicionales (con distribución estadística como las ya observadas).

Dibujo20170823 Black Hole Mass Chart with LIGO results

Hay tres teorías básicas para la formación de un sistema binario de agujeros negros en un tiempo inferior a la edad del Universo. Primera, la formación de dos estrellas de gran masa en un sistema binario que explotan como supernovas casi de forma simultánea y dan lugar a sendos agujeros negros; en este caso los espines de los agujeros negros suelen ser muy altos y con preferencia están alineados (High Aligned). Segunda, la formación separada de las estrellas en un cúmulo estelar denso que tras su explosión como supernova dan lugar a agujeros negros que por interacción gravitacional se acercan y forman el sistema binario; en este caso el espín puede ser bajo o alto, y tienden a estas desalineados (Low Isotropic, High Isotropic, o Flat Isotropic). La tercera posibilidad es que los agujeros negros sean primordiales y se formaran en el Universo temprano, sus espines serán bajos y estarán desalineados (Low Isotropic).

El análisis de las cuatros señales de LIGO apunta a que los agujeros negros tienen espines altos y están desalineados (Low Isotropic), luego sugieren que la segunda teoría es la correcta (los cuatro sistemas binarios detectados se formaron por evolución dinámica). Más detecciones de ondas gravitacionales son necesarias para confirmar esta hipótesis a cinco sigmas. Por supuesto, estos cuatro ejemplos podrían ser atípicos (y sus características similares entre sí por pura casualidad), o podrían actuar los tres mecanismos de formación en diferentes sistemas binarios. Estas preguntan tendrá respuesta en un futuro no muy lejano. La Astronomía de Ondas Gravitacionales promete revolucionar nuestra comprensión de los sistemas binarios de agujeros negros.


9 Comentarios

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JavierJavier

Una pregunta off-topic, Francis.
He visto que Art Hobson ha publicado un nuevo libro llamado “Tales of Quantum” que creo que debe ser de nivel divulgativo. Creo recordar que alguna vez has publicado alguna entrada sobre alguno de sus papers y que defiende una visión de la MC -más que nada basada en la QTF- en la que los entes fundamentales son los campos, siendo las partículas meras excitaciones en dichos campos. Una concepción que creo que compartes.
Por un casual, ¿lo has leído? ¿lo recomendarías?
Gracias y perdona por el OT.

Francisco R. Villatoro

Javier, ya he leído el libro, está muy bien. El título “Cuentos Cuánticos” recuerda al blog de Enrique Borja, pero es muy divulgativo, dirigido a un público general, sin fórmulas (salvo un par) y decorado con un buen número de experimentos cuánticos bien explicados. Muy recomendable.

JavierJavier

¡Qué rapidez! Te lo agradezco mucho Francis, ahora ya me lo puedo leer sobre seguro. Enorme la labor divulgativa que realizas. Muchas gracias!

ChemaChema

¿Cómo es posible que dos estrellas en un sistema binario estallen como supernova? ¿La que estalle primero no “barrería” a la otra? ¿O la radiación y el halo de materia que expele son insuficientes para destruir a su compañera?

Francisco R. Villatoro

Chema, si son estrellas muy masivas una de ellas puede sobrevivir a la explosión de la otra sin problemas, según las simulaciones por ordenador del proceso. A veces nos engañan nuestros prejuicios.

Francisco R. Villatoro

Lo tuiteé el 20 de agosto y desde entonces no hay nada nuevo. Ni lo habrá en unos 4 meses. Así que no tengo nada que decir que ya no esté dicho.

https://twitter.com/emulenews/status...84711968769

El telescopio VLT y la red ALMA de ESO han observado NGC 4993 el 18 y 19 de agosto. El telescopio Chandra de rayos X de NASA ha observado NGC 4993 el 19 de agosto, un evento llamado SGRB170817A (GRB corto del 17 de agosto). El 22 de agosto se realizó una observación con el telescopio espacial Hubble de esta (posible) binaria de estrellas de neutrones en NGC 4993: https://archive.stsci.edu/proposal_s...38;id=15346 En todos estos casos se cortó la observación en curso (algo que se realiza de forma automática y cotidiana) y se indicó a los astrónomos afectados que la razón era una posible señal de LIGO+Vigo (LVT o LV trigger). De ahí ha surgido el rumor.

La cuestión clave es saber cuántas sigmas tiene la señal, pero todo indica que ha sido bien localizada, luego ha sido observada por Virgo y los 2 LIGO, por tanto debe tener una buena SNR (relación señal/ruido). Más información: http://www.nature.com/news/rumours-s...ing-1.22482

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