Duas estrelas de nêutrons colidindo. Crédito: Goddard Space Flight Center/CI Lab da NASA
Na década de 2030, os detectores de ondas gravitacionais serão milhares de vezes mais sensíveis que os avançados LIGO, Virgem e KAGRA. A rede de observatórios de “terceira geração” (3G) quase certamente incluirá o Cosmic Explorer (EUA), o Telescópio Einstein (UE) e pode incluir um observatório semelhante ao Cosmic-Explorer do hemisfério sul.
Esses instrumentos incríveis verão todos os binários Estrêla de Neutróns fusão no Universo, e a maioria dos buracos negros binários para redshifts além de 10: centenas de milhares, possivelmente milhões, de sinais resolvíveis por ano. Muitos desses sinais serão extremamente altos, com relações sinal-ruído na casa dos milhares, facilitando avanços na física e cosmologia fundamentais.
E aqui reside um desafio!
Como extraímos todas as informações desses sinais? À primeira vista, parece uma tarefa simples: continue executando a estimativa de parâmetros como já estamos fazendo! Mas acontece que nossos métodos atuais de estimativa de parâmetros não escalam tão bem quando os sinais são muito altos e muito longos na banda.
Para ver por que, imaginamos um sinal binário de fusão de estrelas de nêutrons “GW370817”, que se originou a cerca de 40 Mpc da Terra – aproximadamente a distância de GW170817 (assumindo que os detectores 3G estão online em 2037, temos a garantia de observar cerca de mil nêutrons binários fusões estelares em 17 de agosto de 2037!) Uma rede de detectores 3G observaria GW370817 por 90 minutos, com uma impressionante relação sinal-ruído de 2500. Analisar este sinal é cerca de mil vezes mais caro computacionalmente do que analisar um sinal no detectores - pelas nossas estimativas de volta do envelope, levaria cerca de 1000 anos!
Esse tempo de análise proibitivo é um obstáculo para a astrofísica com dados 3G, e é o problema que resolvemos em nosso artigo. Para diminuir o tempo de computação, desenvolvemos “modelos de ordem reduzida” de sinais de ondas gravitacionais que nos permitem inferir propriedades binárias de estrelas de nêutrons usando dados altamente compactados, com quase nenhuma perda de precisão. Reduzimos o custo computacional de inferência em dados 3G por um fator de 13,000. Juntamente com uma pitada de computação paralela, podemos realizar a análise de dados em poucas horas. Esta é uma boa notícia para a astrofísica na era 3G.
Embora a década de 2030 e os detectores 3G estejam a alguns anos de distância, nossos resultados e métodos são úteis para uma ampla gama de estudos teóricos e de design, que estão crescendo em sintonia com o desenvolvimento da tecnologia de detectores. Para aqueles com idade suficiente para lembrar, os primeiros desafios de dados simulados da LISA começaram em 2005, o que dá uma ideia de quanto trabalho exploratório ocorre antes que um detector esteja operacional.
Por enquanto, há muitas questões astrofísicas interessantes sobre as quais podemos começar a pensar no contexto dos detectores 3G: quão bem seremos capazes de medir a equação de estado da estrela de nêutrons e a massa máxima das estrelas de nêutrons? E o que isso nos dirá sobre a matéria extrema? Quão bem as rotações das estrelas de nêutrons podem ser medidas e isso pode nos dizer algo sobre os mecanismos das supernovas? etc…Nossos resultados e métodos facilitarão esse tipo de trabalho teórico, permitindo-nos realizar inferências robustas sobre propriedades de estrelas de nêutrons binárias em dados 3G simulados.
Referência: “Inferência Bayesiana para ondas gravitacionais de fusões binárias de estrelas de nêutrons em observatórios de terceira geração” por 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 e Salvatore Vitale, 20 de agosto de 2021, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103 / PhysRevLett.127.081102
