La era de la astronomía multi-mensajera promete ricas recompensas y una curva de aprendizaje abrupta.
Por Troy Rummler, para Symmetry Magazine Junio 27 de 2017
A veces se necesita más de una perspectiva para obtener la historia completa.
Los científicos, incluidos los astrónomos que trabajan con el Telescopio de Área Grande de Fermi, han registrado breves estallidos de fotones de alta energía llamados rayos gamma procedentes de distancias distantes del espacio. Sospechan que tales erupciones son el resultado de la fusión de dos estrellas de neutrones -los núcleos colapsados de las estrellas moribundas- o de la colisión de una estrella de neutrones y un agujero negro.
Pero los rayos gamma por sí solos no pueden decirles eso. La historia de los núcleos densos y estrellados sería más convincente si los astrónomos vieran una segunda señal procedente del mismo evento -por ejemplo, la liberación de ondulaciones en el espacio-tiempo llamadas ondas gravitatorias.
"El Telescopio de Área Grande de Fermi detecta un par de ráfagas de rayos gamma cortas por año, pero detectar una en correspondencia con un evento de onda gravitacional sería la primera confirmación directa de este escenario", dice Giacomo Vianello, investigador postdoctoral del Instituto Kavli para Partículas Astrofísica y Cosmología, una institución conjunta del SLAC National Accelerator Laboratory y la Universidad de Stanford.
Los científicos descubrieron las ondas gravitacionales en 2015 (anunciado en 2016). Usando el Observatorio de Ondas Gravitacionales del Interferómetro Láser, o LIGO, detectaron la coalescencia de dos agujeros negros masivos.
Los científicos de LIGO ahora están compartiendo sus datos con una red de compañeros observadores del espacio para ver si alguna de sus señales coinciden. La combinación de múltiples señales para crear una imagen más completa de los eventos astronómicos se llama astronomía multi-mensajero.
Buscando un partido
"Tuvimos este sueño de encontrar eventos astronómicos para hacer juego con nuestros disparadores de ondas gravitatorias", dice el científico de LIGO Peter Shawhan de la Universidad de Maryland. Contém uma
Pero LIGO sólo puede reducir la fuente de sus señales a una región lo suficientemente grande como para contener aproximadamente 100.000 galaxias.
La búsqueda de señales contemporáneas dentro de ese volumen gigantesco de espacio es extremadamente desafiante, especialmente porque la mayoría de los telescopios sólo ven una pequeña parte del cielo a la vez. Así que Shawhan y sus colegas desarrollaron un plan para enviar una alerta automática a otros observatorios cada vez que LIGO detectara una interesante señal propia. La alerta contendría cálculos preliminares y la localización estimada de la fuente de las ondas gravitatorias potenciales.
"Nuestros primeros esfuerzos fueron bastante crudos y sólo involucró a un pequeño número de socios con telescopios, pero esta clase de idea comenzó", dice Shawhan. La Colaboración LIGO y la Colaboración Virgo, su socio europeo, renovaron y ampliaron el programa mientras actualizaban sus detectores. Desde 2014, 92 grupos se han inscrito para recibir alertas de LIGO, y el número está creciendo.
LIGO no es el único que se aferra a la promesa de la astronomía multi-mensajería. El Sistema de Alerta Temprana de Supernova (SNEWS) también une varios experimentos para ver el mismo evento de diferentes maneras. Las neutras, raras veces interactuantes partículas llamadas neutrinos escapan más rápidamente de las estrellas colapsantes que la luz óptica, por lo que una red de experimentos de neutrinos está preparada para alertar a los observatorios ópticos tan pronto como reciban la primera advertencia de una supernova cercana en forma de una ráfaga de neutrinos.
France Córdova, director de la Fundación Nacional de Ciencias, ha elogiado la astronomía multi-mensajera, llamándola en 2016 una audaz idea de investigación que conduciría a descubrimientos transformadores.
La curva de aprendizaje
Atrapar rachas de rayos gamma junto a las ondas gravitacionales no es una hazaña sencilla.
El telescopio de área grande de Fermi orbita la tierra como el instrumento primario en el telescopio espacial de rayos gamma de Fermi. El telescopio está constantemente en movimiento y tiene un gran campo de visión que examina todo el cielo varias veces al día.
Pero una explosión de rayos gamma dura sólo unos segundos, y LET tarda unas tres horas en completar su barrido. Así que incluso si un evento que libera ondas gravitatorias también produce una explosión de rayos gamma, LAT podría no estar mirando en la dirección correcta en el momento adecuado. Tendría que captar el resplandor del evento.
Fermi LAT científico Nicola Omodei de la Universidad de Stanford reconoce otro desafío: La ventana para ver la explosión junto a las ondas gravitacionales podría no alinearse con las predicciones teóricas. Nunca se ha hecho antes, por lo que la señal podría verse diferente o venir en un momento diferente de lo esperado.
Sin embargo, eso no le impide a él ya sus colegas intentarlo. "Queremos cubrir todas las bases, y adoptamos diferentes estrategias", dijo. "Para asegurarnos de que no nos falte ninguna señal precedente o retrasada, también buscamos escalas de tiempo mucho más largas, analizando los días antes y después del gatillo".
Los científicos que utilizan el segundo instrumento en el Telescopio Espacial de Rayos Gamma de Fermi ya han encontrado una señal no confirmada que se alineó con las primeras ondas gravitatorias detectadas por LIGO, dice la científica Valerie Connaughton de la Universities Space Research Association, que trabaja en Gamma-Ray Burst Monitor. "Nos sorprendió encontrar un evento transitorio 0,4 segundos después del primer GW visto por LIGO".
Aunque el evento es teóricamente poco probable que esté conectado a la onda gravitacional, ella dice que el momento y la ubicación "son suficientes para que nos interesemos y para desafiar a los teóricos para explicar cómo algo que no se esperaba producir rayos gamma podría haberlo hecho. "
Desde el principio
No se trata sólo de experimentos basados en el espacio que buscan señales que se alineen con las alertas de LIGO. Un grupo de trabajo llamado DESgw, miembros de la Encuesta de Energía Oscura con colaboradores independientes, han encontrado una manera de usar la cámara de energía oscura, una cámara digital de 570 megapíxeles montada en un telescopio en los Andes chilenos para seguir las detecciones de ondas gravitatorias. Contém uma
"Hemos desarrollado un sistema de respuesta rápida para interrumpir las observaciones planificadas cuando se produce un desencadenamiento", dice la científica del DES, Marcelle Soares-Santos, del Laboratorio Nacional de Aceleración de Fermi. "El DES es una encuesta cosmológica; El seguimiento de las fuentes de onda gravitacional no formaba parte originalmente del programa científico del DES ".
Una vez que reciben una señal, los colaboradores de DESgw se reúnen para evaluar la alerta y sopesar el costo de cambiar las observaciones planificadas del telescopio en comparación con los datos científicos que podrían esperar ver, la mayoría de la cantidad de la fuente LIGO podría cubrirse con observaciones de DECam.
"Podemos, en principio, poner el telescopio en el cielo para cada evento tan pronto como cae la noche", dijo el científico Jim Annis, también de Fermilab. "En la práctica, nuestro telescopio es grande y la demanda de su tiempo es alta, por lo que esperamos los eventos adecuados en la parte derecha del cielo antes de abrirnos y comenzar a tomar imágenes".
En una elevación aún más baja, los científicos en el experimento del neutrino de IceCube - compuesto de los detectores perforados abajo en hielo antártico - están siguiendo exploits de LIGO también.
"Los neutrinos que IceCube está buscando se originan en el ambiente más extremo del cosmos", dice el científico de IceCube, Imre Bartos, de la Universidad de Columbia. "No sabemos cuáles son estos ambientes con seguridad, pero sospechamos fuertemente que están relacionados con agujeros negros."
LIGO y IceCube son socios naturales. Las ondas gravitacionales y los neutrinos viajan en su mayor parte sin impedimentos a través del espacio. Por lo tanto, llevan información pura sobre dónde se originan, y las dos señales pueden ser monitoreadas en conjunto casi en tiempo real para ayudar a refinar la ubicación calculada de la fuente.
La capacidad de hacerlo es nueva, dice Bartos. Ni las ondas gravitatorias ni los neutrinos de alta energía habían sido detectados desde el cosmos cuando comenzó a trabajar en IceCube en 2008. "Durante los últimos años, ambos fueron descubiertos, poniendo el campo sobre un nuevo fundamento".
Shawhan y la colaboración LIGO son igualmente optimistas sobre el futuro de su programa y la astronomía multi-mensajería. Más detectores de ondas gravitacionales están planeados o en construcción, incluyendo una actualización al detector europeo Virgo, el detector KAGRA en Japón y un tercer detector LIGO en la India, lo que significa que los científicos se acercarán cada vez más a sus objetivos.
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Ilustración de Corinne Mucha
Por Troy Rummler, para Symmetry Magazine Junio 27 de 2017
A veces se necesita más de una perspectiva para obtener la historia completa.
Los científicos, incluidos los astrónomos que trabajan con el Telescopio de Área Grande de Fermi, han registrado breves estallidos de fotones de alta energía llamados rayos gamma procedentes de distancias distantes del espacio. Sospechan que tales erupciones son el resultado de la fusión de dos estrellas de neutrones -los núcleos colapsados de las estrellas moribundas- o de la colisión de una estrella de neutrones y un agujero negro.
Pero los rayos gamma por sí solos no pueden decirles eso. La historia de los núcleos densos y estrellados sería más convincente si los astrónomos vieran una segunda señal procedente del mismo evento -por ejemplo, la liberación de ondulaciones en el espacio-tiempo llamadas ondas gravitatorias.
"El Telescopio de Área Grande de Fermi detecta un par de ráfagas de rayos gamma cortas por año, pero detectar una en correspondencia con un evento de onda gravitacional sería la primera confirmación directa de este escenario", dice Giacomo Vianello, investigador postdoctoral del Instituto Kavli para Partículas Astrofísica y Cosmología, una institución conjunta del SLAC National Accelerator Laboratory y la Universidad de Stanford.
Los científicos descubrieron las ondas gravitacionales en 2015 (anunciado en 2016). Usando el Observatorio de Ondas Gravitacionales del Interferómetro Láser, o LIGO, detectaron la coalescencia de dos agujeros negros masivos.
Los científicos de LIGO ahora están compartiendo sus datos con una red de compañeros observadores del espacio para ver si alguna de sus señales coinciden. La combinación de múltiples señales para crear una imagen más completa de los eventos astronómicos se llama astronomía multi-mensajero.
Buscando un partido
"Tuvimos este sueño de encontrar eventos astronómicos para hacer juego con nuestros disparadores de ondas gravitatorias", dice el científico de LIGO Peter Shawhan de la Universidad de Maryland. Contém uma
Pero LIGO sólo puede reducir la fuente de sus señales a una región lo suficientemente grande como para contener aproximadamente 100.000 galaxias.
La búsqueda de señales contemporáneas dentro de ese volumen gigantesco de espacio es extremadamente desafiante, especialmente porque la mayoría de los telescopios sólo ven una pequeña parte del cielo a la vez. Así que Shawhan y sus colegas desarrollaron un plan para enviar una alerta automática a otros observatorios cada vez que LIGO detectara una interesante señal propia. La alerta contendría cálculos preliminares y la localización estimada de la fuente de las ondas gravitatorias potenciales.
"Nuestros primeros esfuerzos fueron bastante crudos y sólo involucró a un pequeño número de socios con telescopios, pero esta clase de idea comenzó", dice Shawhan. La Colaboración LIGO y la Colaboración Virgo, su socio europeo, renovaron y ampliaron el programa mientras actualizaban sus detectores. Desde 2014, 92 grupos se han inscrito para recibir alertas de LIGO, y el número está creciendo.
LIGO no es el único que se aferra a la promesa de la astronomía multi-mensajería. El Sistema de Alerta Temprana de Supernova (SNEWS) también une varios experimentos para ver el mismo evento de diferentes maneras. Las neutras, raras veces interactuantes partículas llamadas neutrinos escapan más rápidamente de las estrellas colapsantes que la luz óptica, por lo que una red de experimentos de neutrinos está preparada para alertar a los observatorios ópticos tan pronto como reciban la primera advertencia de una supernova cercana en forma de una ráfaga de neutrinos.
France Córdova, director de la Fundación Nacional de Ciencias, ha elogiado la astronomía multi-mensajera, llamándola en 2016 una audaz idea de investigación que conduciría a descubrimientos transformadores.
La curva de aprendizaje
Atrapar rachas de rayos gamma junto a las ondas gravitacionales no es una hazaña sencilla.
El telescopio de área grande de Fermi orbita la tierra como el instrumento primario en el telescopio espacial de rayos gamma de Fermi. El telescopio está constantemente en movimiento y tiene un gran campo de visión que examina todo el cielo varias veces al día.
Pero una explosión de rayos gamma dura sólo unos segundos, y LET tarda unas tres horas en completar su barrido. Así que incluso si un evento que libera ondas gravitatorias también produce una explosión de rayos gamma, LAT podría no estar mirando en la dirección correcta en el momento adecuado. Tendría que captar el resplandor del evento.
Fermi LAT científico Nicola Omodei de la Universidad de Stanford reconoce otro desafío: La ventana para ver la explosión junto a las ondas gravitacionales podría no alinearse con las predicciones teóricas. Nunca se ha hecho antes, por lo que la señal podría verse diferente o venir en un momento diferente de lo esperado.
Sin embargo, eso no le impide a él ya sus colegas intentarlo. "Queremos cubrir todas las bases, y adoptamos diferentes estrategias", dijo. "Para asegurarnos de que no nos falte ninguna señal precedente o retrasada, también buscamos escalas de tiempo mucho más largas, analizando los días antes y después del gatillo".
Los científicos que utilizan el segundo instrumento en el Telescopio Espacial de Rayos Gamma de Fermi ya han encontrado una señal no confirmada que se alineó con las primeras ondas gravitatorias detectadas por LIGO, dice la científica Valerie Connaughton de la Universities Space Research Association, que trabaja en Gamma-Ray Burst Monitor. "Nos sorprendió encontrar un evento transitorio 0,4 segundos después del primer GW visto por LIGO".
Aunque el evento es teóricamente poco probable que esté conectado a la onda gravitacional, ella dice que el momento y la ubicación "son suficientes para que nos interesemos y para desafiar a los teóricos para explicar cómo algo que no se esperaba producir rayos gamma podría haberlo hecho. "
Desde el principio
No se trata sólo de experimentos basados en el espacio que buscan señales que se alineen con las alertas de LIGO. Un grupo de trabajo llamado DESgw, miembros de la Encuesta de Energía Oscura con colaboradores independientes, han encontrado una manera de usar la cámara de energía oscura, una cámara digital de 570 megapíxeles montada en un telescopio en los Andes chilenos para seguir las detecciones de ondas gravitatorias. Contém uma
"Hemos desarrollado un sistema de respuesta rápida para interrumpir las observaciones planificadas cuando se produce un desencadenamiento", dice la científica del DES, Marcelle Soares-Santos, del Laboratorio Nacional de Aceleración de Fermi. "El DES es una encuesta cosmológica; El seguimiento de las fuentes de onda gravitacional no formaba parte originalmente del programa científico del DES ".
Una vez que reciben una señal, los colaboradores de DESgw se reúnen para evaluar la alerta y sopesar el costo de cambiar las observaciones planificadas del telescopio en comparación con los datos científicos que podrían esperar ver, la mayoría de la cantidad de la fuente LIGO podría cubrirse con observaciones de DECam.
"Podemos, en principio, poner el telescopio en el cielo para cada evento tan pronto como cae la noche", dijo el científico Jim Annis, también de Fermilab. "En la práctica, nuestro telescopio es grande y la demanda de su tiempo es alta, por lo que esperamos los eventos adecuados en la parte derecha del cielo antes de abrirnos y comenzar a tomar imágenes".
En una elevación aún más baja, los científicos en el experimento del neutrino de IceCube - compuesto de los detectores perforados abajo en hielo antártico - están siguiendo exploits de LIGO también.
"Los neutrinos que IceCube está buscando se originan en el ambiente más extremo del cosmos", dice el científico de IceCube, Imre Bartos, de la Universidad de Columbia. "No sabemos cuáles son estos ambientes con seguridad, pero sospechamos fuertemente que están relacionados con agujeros negros."
LIGO y IceCube son socios naturales. Las ondas gravitacionales y los neutrinos viajan en su mayor parte sin impedimentos a través del espacio. Por lo tanto, llevan información pura sobre dónde se originan, y las dos señales pueden ser monitoreadas en conjunto casi en tiempo real para ayudar a refinar la ubicación calculada de la fuente.
La capacidad de hacerlo es nueva, dice Bartos. Ni las ondas gravitatorias ni los neutrinos de alta energía habían sido detectados desde el cosmos cuando comenzó a trabajar en IceCube en 2008. "Durante los últimos años, ambos fueron descubiertos, poniendo el campo sobre un nuevo fundamento".
Shawhan y la colaboración LIGO son igualmente optimistas sobre el futuro de su programa y la astronomía multi-mensajería. Más detectores de ondas gravitacionales están planeados o en construcción, incluyendo una actualización al detector europeo Virgo, el detector KAGRA en Japón y un tercer detector LIGO en la India, lo que significa que los científicos se acercarán cada vez más a sus objetivos.
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