LIGO perde 100.000 fusões de buracos negros por ano

A imagem da Relatividade Geral do espaço-tempo curvo, onde a matéria e a energia determinam como esses sistemas evoluem ao longo do tempo, fez previsões bem-sucedidas que nenhuma outra teoria pode igualar, incluindo a existência e as propriedades das ondas gravitacionais: ondulações no espaço-tempo. (LINK)

Mas se uma nova ideia radical se concretizar, talvez possamos encontrá-la afinal.


Após décadas de planejamento, construção, prototipagem, atualização e calibração, o Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferômetro a Laser (LIGO) finalmente alcançou seu objetivo final há pouco mais de dois anos: a primeira detecção direta de ondas gravitacionais. Desde 2015, o LIGO viu as ondulações no espaço-tempo ou ondas gravitacionais de nada menos que seis eventos separados. Cinco (e possivelmente mais) pares de buracos negros-buracos negros e uma estrela de nêutrons-estrela de nêutrons inspiração e fusão tiveram suas assinaturas únicas e inconfundíveis detectadas por vários detectores de ondas gravitacionais simultaneamente, permitindo-nos confirmar uma previsão chave da Relatividade Geral de Einstein que iludiu os experimentalistas por um século. Mas, em teoria, as fusões buraco negro-buraco negro deveriam ocorrer a cada poucos minutos em algum lugar do Universo; O LIGO está perdendo mais de 100.000 deles anualmente. Pela primeira vez, uma equipe de cientistas pode ter descoberto como detectar todas as fusões que o LIGO está faltando no momento.



Vista aérea do detector de ondas gravitacionais Virgo, situado em Cascina, perto de Pisa (Itália). O Virgo é um interferômetro gigante a laser Michelson com braços de 3 km de comprimento e complementa os detectores gêmeos LIGO de 4 km. (Nicola Baldocchi / Colaboração Virgem)



Quando dois buracos negros orbitam um ao outro, ambos estão irradiando energia e fazendo isso constantemente. De acordo com a Relatividade Geral de Einstein, sempre que uma massa se move e acelera através de um campo gravitacional variável, ela mesma alterando seu momento, ela deve emitir radiação inerente ao próprio espaço: radiação gravitacional. Cada uma das duas massas em sua dança gravitacional as emite, e parte do trabalho teórico por trás do LIGO estava calculando em detalhes excruciantes que magnitude, duração, amplitude e frequências de ondas gravitacionais seriam emitidas para quaisquer duas massas e orientações arbitrárias de buracos negros .

O sinal de onda gravitacional do primeiro par de buracos negros detectados e fundidos da colaboração LIGO. Embora uma grande quantidade de informações possa ser extraída, nenhuma imagem ou a presença/ausência de um horizonte de eventos pode ser obtida. (B. P. Abbott et al., (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration), Physical Review Letters 116, 061102 (2016))



Foi apenas a partir desse tipo de criação e correspondência de modelos que conseguimos detectar esses eventos. Foi incrivelmente bem sucedido também; as confirmações, quando ocorreram, foram espetaculares em sua concordância com as previsões. Mas o LIGO é sensível apenas aos momentos finais de uma fusão, onde a amplitude dessas ondas gravitacionais é suficiente para contrair e expandir esses braços enormes por uma pequena fração de comprimento de onda de luz, o suficiente para que, após mil reflexões, a luz muda por uma quantidade quase imperceptível.

As massas de remanescentes estelares são medidas de muitas maneiras diferentes. Este gráfico mostra as massas dos buracos negros detectados através de observações eletromagnéticas (roxo); os buracos negros medidos por observações de ondas gravitacionais (azul); estrelas de nêutrons medidas com observações eletromagnéticas (amarelo); e as massas das estrelas de nêutrons que se fundiram em um evento chamado GW170817, que foram detectadas em ondas gravitacionais (laranja). (LIGO-Virgo/Frank Elavsky/Northwestern)

Ao longo do tempo em que o LIGO esteve operacional, ele viu seis eventos robustos: cerca de 0,001% do número total de fusões esperadas no Universo. Claro, a maioria deles está prevista para estar longe, orientada de forma não ideal, ou ocorrer entre buracos negros de baixa massa e baixa amplitude. Há uma boa razão para o LIGO não os ter visto; a geração atual de detectores de ondas gravitacionais terrestres é severamente limitada em sensibilidade e alcance.



Ilustrado aqui está a gama do Advanced LIGO e sua capacidade de detectar a fusão de buracos negros. A fusão de estrelas de nêutrons pode ter apenas um décimo do alcance e 0,1% do volume, mas se as estrelas de nêutrons forem abundantes o suficiente, o LIGO também pode ter uma chance. (Colaboração LIGO / Amber Stuver / Richard Powell / Atlas of the Universe)

Mas com 100.000 fusões de buracos negros-buracos negros ocorrendo anualmente no Universo observável, esses sinais de ondas gravitacionais estão constantemente passando pela Terra e nossos detectores. Eles estão simplesmente abaixo do limite detectável, o que significa que têm um impacto em um aparelho como o LIGO ou o Virgo, mas não um que possamos identificar e identificar como um evento de onda gravitacional único e inequívoco. Você pode não ser capaz de detectá-los individualmente, mas com tantos deles ocorrendo, pode ser possível extrair um sinal agregado. Em vez de um chilrear individual, essas fusões combinadas devem produzir um zumbido de fundo de onda gravitacional. Essas fusões são rápidas e não devem se sobrepor, o que significa que o plano de fundo deve parecer uma série de sinais desconectados que são muito fracos para serem detectados.

O ruído (em cima), a tensão (no meio) e o sinal reconstruído (em baixo) em um evento de onda gravitacional genuíno visto em todos os três detectores. Para a maioria das fusões, elas estão simplesmente muito distantes para sua amplitude para que o LIGO/Virgo as detecte. (A Colaboração Científica LIGO e a Colaboração Virgo)



Ou seja, eles são muito fracos para serem detectados individualmente! Mas se você souber como é o seu sinal e ambos criarem estatísticas suficientes e aplicarem poder computacional suficiente, você poderá retirá-lo do ruído. Não lhe dirá quantos eventos individuais você tem, mas pode lhe dizer quantos eventos totais existem ao longo do tempo em que você o observa. Em outras palavras, em vez de dizer que esperamos 100.000 deles por ano, podemos realmente observar a taxa geral de fusão buraco negro-buraco negro no Universo. Mais importante, podemos aprender, pela primeira vez, qual é realmente a densidade total de número e massa de buracos negros no Universo.

Um mapa da exposição de 7 milhões de segundos do Chandra Deep Field-South. Esta região mostra centenas de buracos negros supermassivos, cada um em uma galáxia muito além da nossa. Deve haver centenas de milhares de vezes mais buracos negros de massa estelar; estamos apenas esperando a capacidade de detectá-los. (NASA / CXC / B. Luo et al., 2017, ApJS, 228, 2)



Em um novo artigo intitulado Busca ótima por um fundo astrofísico de ondas gravitacionais , os cientistas Rory Smith e Eric Thrane propõem fazer exatamente isso. Para cada problema como esse, há uma maneira computacionalmente ótima de abordá-lo, e Smith e Thrane trabalharam duro para encontrar a resposta. Há uma série de coisas interessantes que os autores deduzem que podem aprender com este exercício computacional:

  1. Você pode derivar a pesquisa mais sensível possível para esse fundo de buracos negros não resolvidos.
  2. Você pode aprender sobre as populações de buracos negros em épocas anteriores do Universo em comparação com o Universo moderno e próximo.
  3. Você pode combinar os resultados dessa pesquisa com detecções confirmadas e marginais, detecções candidatas para remover o viés inerente à visualização dos sinais de maior amplitude com mais facilidade.
  4. Se for bem-sucedido, esse método pode ser generalizado para estrelas de nêutrons, massas não fundidas e até potencialmente o fundo de ondas gravitacionais que sobrou do nascimento do Universo.

A previsão final da inflação cósmica é a existência de ondas gravitacionais primordiais. É a única das previsões da inflação que não foi verificada pela observação... ainda. (National Science Foundation (NASA, JPL, Keck Foundation, Moore Foundation, relacionado) — Programa BICEP2 financiado; modificações por E. Siegel)

O melhor de tudo é que suas conclusões são incrivelmente otimistas sobre o que o futuro reserva para aplicar essa técnica baseada em supercomputador aos conjuntos de dados LIGO e Virgo. Escrevendo no diário Revisão Física X , afirmam:

Estimativas preliminares sugerem que detectores avançados, operando com sensibilidade de projeto, podem detectar um fundo estocástico de buracos negros binários em cerca de 1 dia. Essas estimativas dependem da extrapolação usando modelagem de mistura gaussiana de nossas distribuições de evidências bayesianas. O próximo passo é realizar um desafio de dados simulados no qual demonstramos a segurança e eficácia da pesquisa usando ≈1 dia de dados de Monte Carlo com sensibilidade de design. Tal demonstração nos permitiria verificar as extrapolações feitas aqui com um custo computacional modesto ≈500 000 horas de núcleo.

Em outras palavras, eles planejam demonstrar que esse sinal pode ser extraído de um fundo ruidoso, simulando-o, cegando o computador e provando que o supercomputador, sozinho, pode identificá-lo.

Ao simular ambos os conjuntos de dados com (esquerda) e sem (direita) um sinal, os pesquisadores antecipam que um fundo astrofísico realista deve ser detectado com um tempo de supercomputador de aproximadamente 20 horas, em comparação com mais de um ano usando os métodos existentes. (R. Smith e E. Thrane, Phys. Rev. X 8, 021019 (2018))

A era da astronomia de ondas gravitacionais está agora sobre nós. Devido às incríveis capacidades de detectores terrestres como LIGO e Virgo, agora detectamos seis eventos robustos nos últimos 2 anos, de buracos negros a estrelas de nêutrons em fusão. Mas grandes questões em torno dos buracos negros no Universo, como quantos existem, quais são suas massas no início em comparação com hoje e que porcentagem do Universo é feita de buracos negros, ainda precisam ser respondidas. Os esforços diretos nos levaram a um longo caminho, mas os sinais indiretos também são importantes e podem nos ensinar ainda mais se estivermos dispostos a fazer inferências que sigam a física e a matemática. O LIGO pode estar perdendo mais de 100.000 fusões de buracos negros-buracos negros por ano. Mas com esta nova técnica proposta, podemos finalmente aprender o que mais está lá fora, com o potencial de aplicar isso a estrelas de nêutrons, buracos negros que não se fundem e até as ondulações que sobraram de nosso nascimento cósmico. É um momento incrível para estar vivo.


Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium graças aos nossos apoiadores do Patreon . Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

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