Una colaboración de investigación internacional que incluye a astrónomos de la Universidad Northwestern ha producido el retrato familiar más detallado de los agujeros negros hasta la fecha. ofreciendo nuevas pistas sobre cómo se forman los agujeros negros. Un análisis intenso de los datos de ondas gravitacionales más recientes disponibles condujo al rico retrato, así como a múltiples pruebas de la teoría de la relatividad general de Einstein. (La teoría pasó cada prueba).

El equipo de científicos que conforman LIGO Scientific Collaboration (LSC) y Virgo Collaboration ahora comparte todos los detalles de sus descubrimientos. Esto incluye nuevos candidatos para la detección de ondas gravitacionales que resistieron el escrutinio:un total enorme de 39, que representa una variedad de agujeros negros y estrellas de neutrones, y nuevos descubrimientos como resultado de la combinación de todas las observaciones. Los 39 eventos promediaron más de uno por semana de observación.

Las observaciones podrían ser una pieza clave para resolver los muchos misterios de exactamente cómo interactúan las estrellas binarias. Una mejor comprensión de cómo evolucionan las estrellas binarias tiene consecuencias en la astronomía, desde exoplanetas hasta formación de galaxias.

Los detalles se informan en un trío de artículos relacionados que estarán disponibles en preimpresión el 28 de octubre en arxiv.org. Los estudios también se envían a revistas revisadas por pares.

Las señales de ondas gravitacionales en las que se basan los estudios se detectaron durante la primera mitad de la tercera serie de observación. llamado O3a, del Observatorio de ondas gravitacionales de interferometría láser (LIGO) de la National Science Foundation, un par de idénticos, Interferómetros de 4 kilómetros de largo en los Estados Unidos, y Virgo, un detector de 3 kilómetros de largo en Italia. Los instrumentos pueden detectar señales de ondas gravitacionales de muchas fuentes, incluidos los agujeros negros en colisión y las estrellas de neutrones en colisión.

"La astronomía de ondas gravitacionales es revolucionaria:nos revela la vida oculta de los agujeros negros y las estrellas de neutrones, "dijo Christopher Berry, miembro de LSC y autor de los artículos. "En solo cinco años hemos pasado de no saber que existen los agujeros negros binarios a tener un catálogo de más de 40. La tercera ejecución de observación ha arrojado más descubrimientos que nunca antes. Combinarlos con descubrimientos anteriores pinta una hermosa imagen de la rica variedad del universo de binarios ".

Berry es profesor de investigación de la Junta de Visitantes de CIERA en CIERA (Centro de Exploración e Investigación Interdisciplinaria en Astrofísica) de Northwestern y profesor en la Universidad de Glasgow. Otros autores de Northwestern incluyen a los miembros de CIERA Maya Fishbach y Chase Kimball. CIERA es el hogar de un amplio grupo de investigadores en teoría, simulación y observación que estudian los agujeros negros, estrellas de neutrones, enanas blancas y más.

Como miembro de la colaboración, Los investigadores de Northwestern analizaron los datos de los detectores de ondas gravitacionales para inferir las propiedades de los agujeros negros y las estrellas de neutrones binarios detectados y para proporcionar una interpretación astrofísica de estos descubrimientos.

Los artículos se resumen a continuación:

• El "documento de catálogo" detalla las detecciones de agujeros negros y estrellas de neutrones de la primera mitad de O3a, lo que eleva el número total de candidatos a detección para ese período a 39. Este número supera ampliamente las detecciones de las dos primeras ejecuciones de observación. (La primera ejecución tuvo tres detecciones de ondas gravitacionales, y el segundo tenía ocho.) Las detecciones anunciadas anteriormente de O3a incluyen un objeto misterioso en la brecha de masa (GW190814) y el primer agujero negro de masa intermedia de su tipo (GW190521).
• En el "documento de poblaciones, "Los investigadores reconstruyeron la distribución de masas y espines de la población de agujeros negros y estimaron la tasa de fusión de las estrellas de neutrones binarias. Los resultados ayudarán a los científicos a comprender los procesos astrofísicos detallados que dan forma a cómo se forman estos sistemas. Esta mejor comprensión de la distribución de masas de agujeros negros y saber que los giros de los agujeros negros pueden estar desalineados sugiere que podría haber múltiples formas para que se formen agujeros negros binarios.
• Utilizando el conjunto de detecciones informadas en el documento del catálogo, los investigadores realizaron un análisis detallado combinando todo junto. En lo que ellos llaman el "ensayo de la relatividad general", "los autores impusieron restricciones a la teoría de la relatividad general de Einstein. La teoría pasó con gran éxito, y actualizaron sus mejores mediciones sobre posibles modificaciones.

"Hasta aquí, La tercera carrera de observación de LIGO y Virgo ha dado muchas sorpresas, "dijo Fishbach, un becario postdoctoral Einstein de la NASA y miembro de LSC. "Después de la segunda sesión de observación, Pensé que habíamos visto todo el espectro de agujeros negros binarios pero el paisaje de los agujeros negros es mucho más rico y variado de lo que imaginaba. Estoy emocionado de ver qué nos enseñarán las observaciones futuras ".

Fishbach coordinó la redacción del documento de poblaciones que describe lo que la colaboración ha aprendido sobre las propiedades de la familia de la fusión de agujeros negros y estrellas de neutrones.

Berry ayudó a coordinar el análisis como parte de un equipo global para inferir las propiedades de las detecciones, y se desempeñó como revisor de la Junta Editorial de LSC para el catálogo y para probar los artículos de relatividad general.

Estudiante de posgrado Chase Kimball, un miembro de LSC, contribuyó con los cálculos de las tasas de fusiones al documento de poblaciones. Kimball es co-asesorado por Berry y Vicky Kalogera, el investigador principal del grupo LSC de Northwestern, director de CIERA y el profesor universitario distinguido Daniel I. Linzer de Física y Astronomía en la Facultad de Artes y Ciencias de Weinberg.

Los detectores LIGO y Virgo finalizaron su última ejecución de observación el pasado mes de marzo. Los datos analizados en estos tres artículos fueron recopilados a partir del 1 de abril de 2019, al 1 de octubre, 2019. Los investigadores están analizando los datos de la segunda mitad de la serie de observación, O3b.

Los detectores están programados para reanudar la observación el próximo año después de que se realice el trabajo para aumentar su rango de detección.

"La fusión de las binarias de agujero negro y estrella de neutrones es un laboratorio único, ", Dijo Berry." Podemos usarlos para estudiar tanto la gravedad (hasta ahora, la relatividad general de Einstein ha pasado todas las pruebas) como la astrofísica de cómo las estrellas masivas viven sus vidas. LIGO y Virgo han transformado nuestra capacidad para observar estos binarios, y, a medida que mejoran nuestros detectores, la tasa de descubrimiento solo se acelerará ".