Astronomía multi-mensajero: ¿cuál es el potencial de detección simultánea de ondas gravitacionales y neutrinos de una supernova?

Gracias al esfuerzo del equipo de aLIGO , la astronomía de ondas gravitacionales es una realidad. Al mismo tiempo, los detectores de neutrinos como Hyperkamiokande se están volviendo mucho más sensibles.

Mi pregunta es: ¿cuáles son las perspectivas para la detección pseudosimultánea de ondas gravitacionales y neutrinos de las mismas supernovas? ¿Qué tipo de cosas podríamos aprender de tal evento, tanto sobre supernovas como sobre neutrinos? En particular, ¿cuáles son las perspectivas para estimar la masa de neutrinos?

Dado que los neutrinos viajan a V < C pero las ondas gravitacionales viajan a V = C , ¿su pregunta es sobre medir el tiempo de retraso de uno en relación con el otro?
@CarlWitthoft Sí, supongo que sí. Supongo que el SN tendría que estar lo suficientemente lejos y la teoría lo suficientemente precisa para predecir el retraso de tiempo sin viaje.
Esto podría ser una escapatoria, pero actualmente, la perspectiva de tal medida es prácticamente nula. aLIGO apenas pudo detectar las ondas gravitacionales de la colisión de ~30 agujeros negros de masa solar. No lo sé con certeza, pero es probable que una señal de supernova esté muy por debajo de los límites de detección con los detectores actuales. Agregar más detectores a aLIGO en los próximos años permitirá identificar las fuentes con mayor precisión, pero no mejorará la detección. Y eLISA, el único otro detector en proceso que conozco, tendrá una sensibilidad peor que la que tiene aLIGO ahora.
Puede haber algunas observaciones interesantes posibles, como (a): ¿la forma del pulso de onda gravitacional nos dice algo sobre el "golpe" en el colapso asimétrico del núcleo, y (b): el pulso presumiblemente no interactúa con nada como sale del núcleo, mientras que algunos de los neutrinos lo hacen, por lo que puede haber algunas propiedades interesantes de la estructura de la estrella que se pueden medir de esta manera. (Ambas ideas se basan en tratamientos de la ciencia pop, así que trátelas con precaución. Y, por supuesto, asumo que las mediciones serán posibles con una sensibilidad lo suficientemente alta).
@Andy Point (a) es especialmente cierto. Nunca mediríamos las ondas gravitatorias de una explosión puramente esférica dado que se necesita un momento cuadripolar para producir las ondas. Como tal, cualquier detección de onda que ocurriera necesariamente indicaría que la supernova era asimétrica hasta cierto punto. Con suficiente modelado, uno posiblemente podría averiguar cómo debe haber ocurrido la explosión para producir la onda observada.
@zephyr AFAIK Se esperan GW de las supernovas ya que se espera que la explosión sea asimétrica. En términos de sensibilidad de detección, los agujeros negros fusionados estaban a más de mil millones de años luz de distancia. Estaba pensando más en términos de una supernova en M31, que podría esperarse en los próximos 20 a 30 años. Pero si escribe una respuesta que muestra que mi optimismo está fuera de lugar, supongo que la votaría.
Oh, sí, no digo que no se espere a GW. No hay posibilidad de que la supernova sea esféricamente simétrica. Solo señalar que ver ondas gravitacionales implica necesariamente un colapso asimétrico del núcleo. Sin embargo, ese es un buen punto con respecto a las distancias. Tendría que investigar un poco para ver si la proximidad hace que SN GW sea detectable.
@zephyr De hecho, me imagino que el bit de detección de neutrinos es lo que tiene sensibilidad limitada ...
@RobJeffries Pero hemos estado detectando neutrinos SN durante casi 30 años. LIGO existe desde hace unos 20 años y solo recientemente mejoró lo suficiente como para detectar ondas gravitacionales (muy fuertes).
@zephyr Superkamiokande detectó una supernova en la Gran Nube de Magallanes con solo ~20 neutrinos.
@RobJeffries En realidad, solo se detectaron 24 neutrinos de 3 observatorios de neutrinos en todo el mundo combinados, Kamiokande 2 solo detectó 11, pero tiene razón, SN 1987A es la única supernova registrada que ha observado neutrinos asociados con ella.
La causa del pesimismo de la detección de supernovas por GW es que si la supernova está 1000 veces más cerca que las fusiones de agujeros negros, la amplitud de GW aumenta en 1000, lo que suena bastante bien, pero hay un problema de eficiencia. En el caso de la fusión de BH, la generación de GW es una vía de energía importante, permite que las órbitas decaigan. Cuando se pensó que podría haber una detección de rayos gamma con la fusión de BH, se crearon modelos que podrían convertir una pequeña energía en luz, pero aun así, muy poca energía se destina a algo que no sea GW. No es así para las supernovas: ponen mucha energía en los neutrinos.
Entonces, para detectar el GW de algo que está sucediendo debido a toda la energía que ingresa a los neutrinos, necesita una eficiencia para la generación de GW que sea algo así como 1/1000 para que sea igualmente detectable cuando BH se fusiona 1000 veces más lejos. Estos son números aproximados, por supuesto, pero para obtener esa alta eficiencia de generación de GW en algo que es muy bueno para producir neutrinos, creo que se requeriría una asimetría extrema. En otras palabras, creo que las fusiones de BH crean GW porque no tienen ningún otro lugar para poner la energía, pero las supernovas son muy buenas para poner la energía en otra parte.
Aún así, los tipos de eficiencia de 1/1000 en la generación de GW podrían ser posibles si hay varias asimetrías, por lo que en última instancia se convierte en una pregunta del observador. Un esfuerzo por responder se describe en esta charla: physics.ncsu.edu/FOE2015/PRESENTATIONS/FOE15_Szczepanczyk.pdf Hasta ahora, solo resultados nulos, pero quién sabe, podría ser un gran titular en proceso allí.
@Ken G Todos los buenos puntos. Entendí que con aLIGO podríamos estar limitados al grupo local. Esperaba no tener que escribir mi propia respuesta...
Creo que la respuesta es que las perspectivas son desconocidas, porque depende de lo que suceda dentro de las supernovas que aún no sabemos. Así que hay optimistas que realmente hacen las mediciones y pesimistas que dicen que están desperdiciando recursos y que no sabremos quién tiene razón hasta que vean algo, o no. Pero parece que su interés es si podemos o no aprender más sobre los neutrinos de esa manera que en nuestros aceleradores. Obtiene una larga distancia para trabajar, pero controles deficientes en los tiempos de emisión. ¡Otra división optimista/pesimista, supongo!
Ni siquiera deberíamos descartar una supernova en nuestra propia galaxia, dando otro factor de 1000 en amplitud GW para trabajar. Eso requerirá más paciencia, pero quién sabe. Entonces, otra forma de formular su pregunta es, con nuestros detectores actuales, ¿cuál es la distancia ideal para una supernova, en el equilibrio entre sensibilidad y discriminación de tiempo? ¡No ganarás tantas estrellas saliendo de nuestra galaxia si te quedas en el grupo local!
@KenG Sería aceptable proporcionar una respuesta que diera tanto el punto de vista optimista como el pesimista.
Básicamente, solo vemos neutrinos de supernovas en el grupo local. Eso solo nos da 1-2 billones de estrellas con las que trabajar, o una supernova cada pocas décadas. Así que el optimista dice, prepárate para tener suerte. ¡El pesimista nunca hace nada basado en tener suerte! Un tema aparte es si veremos las GW de alguna supernova. El pesimista dice que no hemos escuchado nada en un año desde que aLIGO ha estado operativo, el optimista dice que con más instrumentos LIGO podemos triangular y reducir el ruido. Ese depende de cuán asimétrica sea la explosión, que no sabremos hasta que la veamos.

Respuestas (1)

Este artículo básicamente parece responder a la pregunta. Citan de un estudio anterior:

"Aunque actualmente los detectores de ondas gravitacionales no han detectado CCSNe, estudios previos indican que una red de detectores avanzada puede ser sensible a estas fuentes en la Gran Nube de Magallanes (LMC). Un CCSN sería una fuente ideal de múltiples mensajes para aLIGO y AdV, ya que se esperarían neutrinos y contrapartes electromagnéticas de la señal. Las ondas gravitacionales se emiten desde el interior del núcleo de CCSNe, lo que puede permitir que se midan parámetros astrofísicos, como la ecuación de estado (EOS), a partir de la reconstrucción. de la señal de ondas gravitacionales".

Dado que sabemos por SN1987A que los neutrinos de una supernova se pueden detectar en ese rango, eso parece ser un "sí". La mayor incertidumbre parece ser cuánta energía de ondas gravitacionales emitirá la supernova y a qué frecuencias, lo que depende de una comprensión relativamente detallada de cómo se mueve exactamente la materia en la explosión, una simulación de la cual se ilustra en el ( bastante impresionante) video en el artículo.

Buen artículo aparte de los comentarios idiotas que aparecen BTL.
@Rob Jeffries: Dios mío, sí. No leí tan lejos
Astronomía multi-mensajero: ¿cuál es el potencial de detección simultánea de ondas gravitacionales y neutrinos de una supernova?
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