Frecuencia de detección de ondas gravitacionales

Es posible que haya escuchado en las noticias que el experimento LIGO detectó recientemente una onda gravitacional.

Aunque no soy astrónomo, el documento es una buena lectura y accesible en su mayoría. La detección de la onda gravitacional es una cosa, pero la fusión del agujero negro es bastante nueva para mí. A partir de los datos que pude recopilar en el periódico y este sitio, la fuente se estima en 1.300 millones de años, y el chirrido duró solo unos pocos milisegundos.

Mi pregunta: ¿cuál es la frecuencia de los eventos de este orden de tamaño? ¿Hay alguna estimación de la densidad de tales eventos en el universo?

Harry (2009) citó varias fuentes diferentes que declararon que, hasta donde sabemos, la tasa de eventos detectables será

• 40 fusiones de estrellas de neutrones por año
• 30 10 M ⊙ fusiones de agujeros negros por año$_\odot$
• 10 fusiones de estrellas de neutrones / agujeros negros por año

Esto está dentro de un radio de aproximadamente 200 Mpc. Sin embargo, esto no puede usarse para extrapolar la tasa total de tales eventos, debido al sesgo de detección: cuanto más masivos son los objetos, más fáciles son de detectar. Lo mismo sucede con los exoplanetas, pero por diferentes razones (por ejemplo, los planetas que son más masivos o más cercanos a sus estrellas son más fáciles de detectar por tránsito o por métodos de velocidad radial).

La tasa de ondas gravitacionales detectadas de esta amplitud o las detecciones de ondas gravitacionales debido a la fusión de binarios de agujeros negros son cantidades desconocidas por el momento. Medir estos es en parte el propósito del experimento.

Las tasas de detección se pueden convertir en una tasa de fusiones por unidad de volumen en el espacio y se pueden comparar con modelos y predicciones. La colaboración de aLIGO ha lanzado su primer artículo posterior a la detección sobre ese mismo tema: Abbott et al. (2016) .

La gran masa de los agujeros negros descubiertos implica que se formaron en un entorno pobre en metales a partir del colapso del núcleo de estrellas masivas o que se formaron a partir de la fusión de agujeros negros más pequeños en cúmulos densos. El rango de tasas previamente pronosticado para las fusiones de tales objetos cubría un rango enorme debido a las incertidumbres masivas en la tasa de producción y los mecanismos para la formación binaria de estos objetos, y se ubicaba en el rango de 0 a aproximadamente 1000 por año por Gigaparsec cúbico.

$z=0.09$

Como habrás adivinado, esta pregunta es de gran interés para el equipo de LIGO. Simultáneamente con la publicación del documento que mencionó anunciando el descubrimiento, el equipo de LIGO presentó una serie de documentos complementarios con más detalles sobre el descubrimiento y las predicciones. Uno de estos aborda su pregunta:

La tasa de fusiones binarias de agujeros negros deducidas de las observaciones avanzadas de LIGO que rodean a GW150914

Su método de estimación de la tasa de eventos considera tanto GW150914 como otro evento significativamente más débil (y menos estadísticamente significativo). Consideran una serie de modelos sobre cómo la tasa de eventos podría depender de las propiedades del sistema, y ​​preguntan qué implican las observaciones de GW150914 y el otro evento candidato para la tasa general. Los resultados varían de un modelo a otro, pero eligieron modelos que creían que podrían incluir un comportamiento astrofísicamente plausible. Como se resume en su resumen:

$2-53 \, \mathrm{Gpc}^{-3} \, \mathrm{yr}^{-1}$$6-400 \, \mathrm{Gpc}^{-3} \, \mathrm{yr}^{-1}$$2-400 \, \mathrm{Gpc}^{-3} \, \mathrm{yr}^{-1}$

Tenga en cuenta que el documento se presenta, no se publica, es decir, todavía está bajo revisión por pares. Hablando como alguien con experiencia en tales cálculos, algunos aspectos del método me parecen sospechosos, por lo que creo que vale la pena revisar el artículo en unas pocas semanas para revisarlo. No hace falta una metodología elegante para ver que el orden de magnitud aquí (unos pocos ~ 100 por gigaparsec cúbico por año) está en el estadio correcto. Pero el documento presenta una metodología que podría hacer estimaciones y predicciones más detalladas y precisas a medida que se acumulan los datos, por lo que es importante asegurarse de que la metodología sea sólida.