Detectores de ondas gravitatorias insensibles mejorados usando accesorios inteligentes
Por Chris Lee para arstechnica.com- Mayo/4/2017,
La detección de una fusión de agujeros negros a través de las ondas gravitatorias señaló la apertura de nuevos terrenos en la astronomía. Hasta ese momento, los astrónomos sólo tenían una manera de observar el Universo: a través del espectro electromagnético. Se espera que las ondas gravitatorias nos permitan ver más atrás en el tiempo y más profundamente en la relatividad general que nunca antes.
La primera generación de detectores de ondas gravitacionales, que son capaces de detectar el movimiento espacial en el orden de 10ˆ-21m (21 ceros antes de un 1), son los dispositivos de escucha más finos y más sensibles jamás hechas. Y ahora están escuchando las fusiones de agujeros negros.
Desafortunadamente, en la práctica, la generación actual de detectores de ondas gravitacionales es un poco como su abuelo. No, no son sordos, pero todavía tienes que gritar para llamar su atención. O, para decirlo más directamente, sólo los eventos más enérgicos y más cercanos van a llamar la atención del avanzado LIGO y del VIRGO avanzado. Como resultado, los investigadores se están preguntando si el procesamiento inteligente de señales puede ser usado para extraer más información de los instrumentos que están entrando en línea ahora.
Astrofísicos impacientes
La idea básica es esta: no podemos ver en un agujero negro, así que ¿cómo podemos averiguar si nuestras teorías son correctas? Los astrofísicos esperan que puedan analizar la percepción viendo colisionar los agujeros negros. Esencialmente, queremos utilizar un agujero negro para medir un agujero negro. Ahora, por supuesto, los agujeros negros mismos son famosos por no emitir mucho en el camino de la luz (aunque el entorno cercano lo hace). Así que, en lugar de buscarlos, escuchamos las ondas gravitatorias que emiten cuando chocan.
Aunque podemos detectar una fusión muy claramente, los detalles de las fusiones individuales —las cosas que hacen que cada evento sea distintivo— están ocultas en el ruido del detector de fondo. En otras palabras, todas las fusiones de agujeros negros se verán iguales. Las únicas variaciones se deben a la masa de los agujeros negros que se están fusionando.
Bajo estas circunstancias, los investigadores tienen dos opciones a su disposición: kvetch mientras esperan detectores mejores o utilizan una manera inteligente de combinar las señales de diferentes fusiones.
No conozco a nadie con la fortaleza para quejarse durante 20 años, y eso incluyea los astrofísicos. Por lo tanto, los investigadores han estado investigando cómo combinar las señales de diferentes fusiones de agujeros negros para superar el ruido de sus instrumentos y revelar detalles ocultos que son comunes a todas las fusiones de agujeros negros.
Mezclando señales
La idea básica es relativamente simple. A medida que los dos agujeros negros comienzan su espiral de muerte, emiten ondas gravitacionales que comienzan con una amplitud y frecuencia muy baja. La amplitud y la frecuencia aumentan rápidamente a medida que los agujeros negros se aproximan. Luego, en el punto de la fusión, la señal se desvanece bruscamente. Las ondas gravitacionales emitidas justo después de la fusión provienen del horizonte de eventos del agujero negro que suena como una campana.
Una campana de llamada tiene un tono principal, y un montón de tonos también. Así, también, debe una fusión de agujero negro, pero los armónicos son mucho más débiles que el tono principal y mucho más difícil de detectar. Desafortunadamente, no se puede combinar ciegamente las señales tampoco, porque el timbre tiene una fase y una amplitud. Eso significa que, si se combinan las señales con las fases de los tonos mal, entonces las amplitudes se cancelan y sumarán a cero. En otras palabras, al momento de tratar de aumentar su señal, usted la ha destruido.
Parece un problema insoluble: para combinar las señales, es necesario conocer la fase de cada tono. Pero, para obtener la fase, hay que medirla, lo que no se puede hacer porque el detector no es lo suficientemente sensible. Y, si el detector fuera lo suficientemente sensible, no tendría la necesidad de combinar las señales.
Por otro lado, tenemos una teoría de la gravedad y las ondas gravitatorias que medimos durante la inspiración para predecir la fase y la frecuencia del tono principal y los tonos. ¿Es la predicción lo suficientemente precisa para permitirnos agregar eventos separados juntos?
Para responder a esa pregunta, los investigadores modelaron las señales de fusiones de agujeros negros y añadió el ruido de instrumentación esperado de LIGO avanzado. A continuación, utilizaron esta señal para estimar la fase y la frecuencia del tono principal y el primer tono de cada fusión. Esta información se utilizó para escalar las frecuencias de los tonos para que coincidieran, independientemente de la masa de los agujeros negros, y utilizar la información de fase para sumar las señales juntas correctamente.
Sobretonos
Ahora, el punto crítico: ¿funciona? La respuesta parece ser sí. De su conjunto de datos artificiales, los investigadores estimaron que LIGO avanzado tiene aproximadamente un 28 por ciento de probabilidad de detectar el primer tono del anillo de una fusión de agujero negro en un año de datos observacionales. Pero, agregando las fusiones juntas, esa posibilidad aumenta a cerca de 97 por ciento.
Estos porcentajes absolutos deben ser tomados con un grano de sal, sin embargo, ya que hacen suposiciones acerca de cuántas fusiones de agujero negro se observará por año. Incluso si la tasa de fusiones observadas es mucho menor, sin embargo, es bastante claro que eventualmente sería posible añadir las señales y extraer matices.
Normalmente, creo que este enfoque es bastante dudoso porque utiliza la teoría de que está probando para extraer la señal del ruido, el tipo de razonamiento circular que me pone nervioso. Sin embargo, los agujeros negros son una excepción. Se cree que toda la física de un agujero negro está determinada por sólo tres propiedades: la masa, la carga eléctrica, y lo rápido que está girando. Sin duda debe ser posible determinar si esta idea es incorrecta de los modos de tonos.
Esas tres propiedades sustentan muchas de nuestras ideas sobre los agujeros negros, así que sería bueno probar nuestra comprensión en algún nivel. Y esto es solo el comienzo. Durante el próximo siglo, la gama de frecuencias sobre la que operarán nuestros sensores de onda gravitacional se ampliará y ampliará. Al igual que el comienzo de un espectáculo, cuando las luces suben y revelan lentamente el escenario, estoy anticipando algunas cosas maravillosas y sorprendentes que serán reveladas por los observatorios de ondas gravitatorias.
Physical Review Letters, 2017, DOI: 10.1103/PhysRevLett.118.161101
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Las fusiones de agujeros negros son tan similares que podríamos combinarlos para revelar la físic
Por Chris Lee para arstechnica.com- Mayo/4/2017,
La detección de una fusión de agujeros negros a través de las ondas gravitatorias señaló la apertura de nuevos terrenos en la astronomía. Hasta ese momento, los astrónomos sólo tenían una manera de observar el Universo: a través del espectro electromagnético. Se espera que las ondas gravitatorias nos permitan ver más atrás en el tiempo y más profundamente en la relatividad general que nunca antes.
La primera generación de detectores de ondas gravitacionales, que son capaces de detectar el movimiento espacial en el orden de 10ˆ-21m (21 ceros antes de un 1), son los dispositivos de escucha más finos y más sensibles jamás hechas. Y ahora están escuchando las fusiones de agujeros negros.
Desafortunadamente, en la práctica, la generación actual de detectores de ondas gravitacionales es un poco como su abuelo. No, no son sordos, pero todavía tienes que gritar para llamar su atención. O, para decirlo más directamente, sólo los eventos más enérgicos y más cercanos van a llamar la atención del avanzado LIGO y del VIRGO avanzado. Como resultado, los investigadores se están preguntando si el procesamiento inteligente de señales puede ser usado para extraer más información de los instrumentos que están entrando en línea ahora.
Astrofísicos impacientes
La idea básica es esta: no podemos ver en un agujero negro, así que ¿cómo podemos averiguar si nuestras teorías son correctas? Los astrofísicos esperan que puedan analizar la percepción viendo colisionar los agujeros negros. Esencialmente, queremos utilizar un agujero negro para medir un agujero negro. Ahora, por supuesto, los agujeros negros mismos son famosos por no emitir mucho en el camino de la luz (aunque el entorno cercano lo hace). Así que, en lugar de buscarlos, escuchamos las ondas gravitatorias que emiten cuando chocan.
Aunque podemos detectar una fusión muy claramente, los detalles de las fusiones individuales —las cosas que hacen que cada evento sea distintivo— están ocultas en el ruido del detector de fondo. En otras palabras, todas las fusiones de agujeros negros se verán iguales. Las únicas variaciones se deben a la masa de los agujeros negros que se están fusionando.
Bajo estas circunstancias, los investigadores tienen dos opciones a su disposición: kvetch mientras esperan detectores mejores o utilizan una manera inteligente de combinar las señales de diferentes fusiones.
No conozco a nadie con la fortaleza para quejarse durante 20 años, y eso incluyea los astrofísicos. Por lo tanto, los investigadores han estado investigando cómo combinar las señales de diferentes fusiones de agujeros negros para superar el ruido de sus instrumentos y revelar detalles ocultos que son comunes a todas las fusiones de agujeros negros.
Mezclando señales
La idea básica es relativamente simple. A medida que los dos agujeros negros comienzan su espiral de muerte, emiten ondas gravitacionales que comienzan con una amplitud y frecuencia muy baja. La amplitud y la frecuencia aumentan rápidamente a medida que los agujeros negros se aproximan. Luego, en el punto de la fusión, la señal se desvanece bruscamente. Las ondas gravitacionales emitidas justo después de la fusión provienen del horizonte de eventos del agujero negro que suena como una campana.
Una campana de llamada tiene un tono principal, y un montón de tonos también. Así, también, debe una fusión de agujero negro, pero los armónicos son mucho más débiles que el tono principal y mucho más difícil de detectar. Desafortunadamente, no se puede combinar ciegamente las señales tampoco, porque el timbre tiene una fase y una amplitud. Eso significa que, si se combinan las señales con las fases de los tonos mal, entonces las amplitudes se cancelan y sumarán a cero. En otras palabras, al momento de tratar de aumentar su señal, usted la ha destruido.
Parece un problema insoluble: para combinar las señales, es necesario conocer la fase de cada tono. Pero, para obtener la fase, hay que medirla, lo que no se puede hacer porque el detector no es lo suficientemente sensible. Y, si el detector fuera lo suficientemente sensible, no tendría la necesidad de combinar las señales.
Por otro lado, tenemos una teoría de la gravedad y las ondas gravitatorias que medimos durante la inspiración para predecir la fase y la frecuencia del tono principal y los tonos. ¿Es la predicción lo suficientemente precisa para permitirnos agregar eventos separados juntos?
Para responder a esa pregunta, los investigadores modelaron las señales de fusiones de agujeros negros y añadió el ruido de instrumentación esperado de LIGO avanzado. A continuación, utilizaron esta señal para estimar la fase y la frecuencia del tono principal y el primer tono de cada fusión. Esta información se utilizó para escalar las frecuencias de los tonos para que coincidieran, independientemente de la masa de los agujeros negros, y utilizar la información de fase para sumar las señales juntas correctamente.
Sobretonos
Ahora, el punto crítico: ¿funciona? La respuesta parece ser sí. De su conjunto de datos artificiales, los investigadores estimaron que LIGO avanzado tiene aproximadamente un 28 por ciento de probabilidad de detectar el primer tono del anillo de una fusión de agujero negro en un año de datos observacionales. Pero, agregando las fusiones juntas, esa posibilidad aumenta a cerca de 97 por ciento.
Estos porcentajes absolutos deben ser tomados con un grano de sal, sin embargo, ya que hacen suposiciones acerca de cuántas fusiones de agujero negro se observará por año. Incluso si la tasa de fusiones observadas es mucho menor, sin embargo, es bastante claro que eventualmente sería posible añadir las señales y extraer matices.
Normalmente, creo que este enfoque es bastante dudoso porque utiliza la teoría de que está probando para extraer la señal del ruido, el tipo de razonamiento circular que me pone nervioso. Sin embargo, los agujeros negros son una excepción. Se cree que toda la física de un agujero negro está determinada por sólo tres propiedades: la masa, la carga eléctrica, y lo rápido que está girando. Sin duda debe ser posible determinar si esta idea es incorrecta de los modos de tonos.
Esas tres propiedades sustentan muchas de nuestras ideas sobre los agujeros negros, así que sería bueno probar nuestra comprensión en algún nivel. Y esto es solo el comienzo. Durante el próximo siglo, la gama de frecuencias sobre la que operarán nuestros sensores de onda gravitacional se ampliará y ampliará. Al igual que el comienzo de un espectáculo, cuando las luces suben y revelan lentamente el escenario, estoy anticipando algunas cosas maravillosas y sorprendentes que serán reveladas por los observatorios de ondas gravitatorias.
Physical Review Letters, 2017, DOI: 10.1103/PhysRevLett.118.161101
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