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En la década de 2030, los detectores de ondas gravitacionales serán miles de veces más sensibles que LIGO avanzado, Virgo y KAGRA. La red de observatorios de "tercera generación" (3G) incluirá, casi con toda seguridad, el Cosmic Explorer (EE.UU.), el Telescopio Einstein (UE), y podría incluir un observatorio similar al Cosmic-Explorer del hemisferio sur.
Estos increíbles instrumentos verán todas las fusiones binarias de estrellas de neutrones del Universo y la mayoría de los agujeros negros binarios hasta desplazamientos al rojo superiores a 10: cientos de miles, posiblemente millones, de señales resolubles al año. Muchas de estas señales serán extremadamente fuertes, con una relación señal/ruido de miles, lo que facilitará los avances en la física fundamental y la cosmología.
Y ahí está el reto.
¿Cómo extraer toda la información de estas señales? A primera vista, parece una tarea sencilla: ¡seguir realizando estimaciones de parámetros como ya estamos haciendo! Pero resulta que nuestros métodos actuales de estimación de parámetros no se adaptan tan bien cuando las señales son realmente fuertes y de banda muy larga.
Para ver por qué, imaginamos una señal de fusión de estrellas binarias de neutrones "GW370817", que se originó a unos 40 Mpc de la Tierra -aproximadamente la distancia de GW170817 (¡suponiendo que los detectores 3G estén en línea en 2037, tenemos garantizado observar unas mil fusiones de estrellas binarias de neutrones el 17 de agosto de 2037!) Una red de detectores 3G observaría GW370817 durante 90 minutos, con una asombrosa relación señal/ruido de 2500. El análisis de esta señal es mil veces más costoso desde el punto de vista computacional que el análisis de una señal en los detectores actuales.
Este tiempo de análisis prohibitivo es un obstáculo para la astrofísica con datos de 3.ª Generación, y es el problema que resolvemos en nuestro artículo. Para reducir el tiempo de cálculo, hemos desarrollado "modelos de orden reducido" de las señales de ondas gravitacionales que nos permiten inferir las propiedades de las estrellas de neutrones binarias utilizando datos muy comprimidos, sin apenas pérdida de precisión. Redujimos el coste computacional de la inferencia en datos 3G por un factor de 13.000. Junto con una pizca de computación paralela, somos capaces de realizar el análisis de los datos en unas pocas horas. Esto es una buena noticia para la astrofísica en la era de la 3G.
Por el momento, hay muchas cuestiones astrofísicas interesantes en las que podemos empezar a pensar en el contexto de los detectores 3G: ¿hasta qué punto seremos capaces de medir la ecuación de estado de las estrellas de neutrones y la masa máxima de las mismas? ¿Y qué nos dirá esto sobre la materia extrema? ¿Hasta qué punto se pueden medir los espines de las estrellas de neutrones y puede esto decirnos algo sobre los mecanismos de las supernovas? Etc... Nuestros resultados y método facilitarán este tipo de trabajo teórico al permitirnos realizar inferencias sólidas sobre las propiedades de las estrellas de neutrones binarias en los datos simulados de la 3G.
Fuentes, créditos y referencias:
“Bayesian inference for gravitational waves
from binary neutron star mergers in third-generation observatories” by
Rory Smith, Ssohrab Borhanian, Bangalore Sathyaprakash, Francisco
Hernandez Vivanco, Scott Field, Paul Lasky, Ilya Mandel, Soichiro
Morisaki, David Ottaway, Bram Slagmolen, Eric Thrane, Daniel Töyrä and
Salvatore Vitale, 20 August 2021, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.127.081102
Imagen: Impresión artística de dos estrellas de neutrones -los restos compactos de lo que fueron estrellas masivas- acercándose en espiral la una a la otra justo antes de fusionarse. Crédito: ESA