Frequência de detecção de ondas gravitacionais

Você pode ter ouvido nas notícias que o experimento LIGO detectou recentemente uma onda gravitacional.

Embora eu não seja astrônomo, o artigo é de boa leitura e é principalmente acessível. A detecção da onda gravitacional é uma coisa, mas a fusão do buraco negro é bastante nova para mim. A partir dos dados que pude coletar no jornal e neste site, a fonte é estimada em 1,3 bilhão de anos e o chilro durou apenas alguns milissegundos.

Minha pergunta: qual é a frequência de eventos dessa ordem de tamanho? Existe alguma estimativa da densidade de tais eventos no universo?

Harry (2009) citou várias fontes diferentes afirmando que, até onde sabemos, a taxa de eventos detectáveis será

• 40 fusões de estrelas de nêutrons por ano
• 30 10 M ⊙ fusões de buracos negros por ano$_\odot$
• 10 fusões estrela de nêutrons / buraco negro por ano

Isso está dentro de um raio de cerca de 200 Mpc. No entanto, isso não pode ser usado para extrapolar a taxa total de tais eventos, devido ao viés de detecção - quanto mais massivos os objetos, mais fáceis eles são de detectar. O mesmo acontece com os exoplanetas, mas por diferentes razões (por exemplo, planetas que são mais massivos ou mais próximos de suas estrelas são mais fáceis de serem detectados pelo trânsito ou pelos métodos de velocidade radial).

A taxa de ondas gravitacionais detectadas dessa amplitude ou detecções de ondas gravitacionais devido à fusão de binários de buracos negros são quantidades desconhecidas no momento. Medir esses fatores é parcialmente o objetivo do experimento.

As taxas de detecção podem ser convertidas em uma taxa de fusões por unidade de volume no espaço e podem ser comparadas com modelos e previsões. A colaboração da aLIGO lançou seu primeiro artigo de pós-detecção sobre esse mesmo assunto - Abbott et al. (2016) .

A alta massa dos buracos negros descobertos implica que eles se formaram em um ambiente pobre de metal a partir do colapso do núcleo de estrelas massivas ou que se formaram a partir da fusão de buracos negros menores em aglomerados densos. A faixa de taxas previamente prevista para as fusões de tais objetos cobria uma enorme variedade devido às incertezas maciças na taxa de produção e aos mecanismos de formação binária desses objetos, e situava-se na faixa de 0 a cerca de 1000 por ano por Gigaparsec cúbico.

$z=0.09$

Como você deve ter adivinhado, esta questão é de grande interesse para a equipe do LIGO. Simultaneamente com a publicação do artigo que você mencionou anunciando a descoberta, a equipe do LIGO enviou vários documentos complementares com mais detalhes sobre a descoberta e previsões. Um deles aborda sua pergunta:

A taxa de fusões binárias de buracos negros inferidas a partir de observações avançadas do LIGO em torno de GW150914

O método de estimativa da taxa de eventos considera o GW150914 e outro evento significativamente mais fraco (e menos estatisticamente significativo). Eles consideram vários modelos de como a taxa de eventos pode depender das propriedades do sistema e perguntam o que as observações do GW150914 e do outro evento candidato implicam na taxa geral. Os resultados variam de modelo para modelo, mas eles escolheram modelos que achavam que poderiam apoiar comportamento astrofisicamente plausível. Como resumido em seu resumo:

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

Observe que o artigo é enviado, não publicado, ou seja, ainda está em revisão por pares. Falando como alguém com experiência em tais cálculos, alguns aspectos do método parecem duvidosos para mim, então acho que vale a pena conferir o artigo em poucas semanas para revisões. Não é preciso uma metodologia sofisticada para ver que a ordem de magnitude aqui (de alguns a ~ 100 por gigaparsec cúbico por ano) está no estádio certo. Mas o artigo apresenta uma metodologia que poderia fazer estimativas e previsões mais detalhadas e mais precisas à medida que os dados se acumulam, por isso é importante garantir que a metodologia seja sólida.