Respuesta corta

Tres detectores mejorarían drásticamente la capacidad de señalar la dirección de las ondas gravitacionales.

Respuesta larga

Encontrar la dirección de la fuente de una onda gravitacional, como ocurre con la mayoría de las cosas en la ciencia, es más difícil de lo que parece inicialmente. Me gustaría señalar que el proceso utilizado para determinar la dirección no es precisamente una forma de triangulación (incluso si tuviera más de 3 detectores) porque la triangulación implica determinar la posición precisa conociendo las distancias al objeto desde 3 o más ubicaciones. Eso no es realmente lo que está pasando aquí.

Describiré los conceptos básicos para determinar la dirección y cómo ese método podría mejorarse con más detectores, pero también puede leer esta excelente fuente .

Hora de llegada

La forma principal en que podemos determinar la dirección es la hora de llegada a los distintos detectores. Los detectores actualmente activos están ubicados a unos 10 milisegundos luz de distancia. Eso significa que uno de ellos va a detectar la onda primero, luego, un tiempo después, el otro la detecta. Dado que la onda tiene que viajar a la velocidad de la luz, puede determinar la dirección desde la que viaja de tal manera que atraviese la distancia entre los dos detectores en la diferencia de tiempo medida.

Pero esto presenta un problema porque este método tiene degeneraciones con solo 2 detectores. Realmente, todo lo que puedes calcular es el ángulo de la dirección de la onda con respecto a la línea que conecta tus dos detectores. Eso solo te da un cono en el cielo de donde podría haber venido la ola y no puedes determinar el ángulo azimutal sin más información. Este concepto se puede ver en la siguiente imagen que muestra la dirección probable. Puedes ver que lo han limitado aún más, pero su forma aún forma parte de un círculo (la proyección de ese cono en el cielo).

¿Qué sucede si agrega otro detector?

Como se indicó anteriormente, tiene una degeneración con solo 2 detectores, pero agregar un tercero rompería esa degeneración. Convertirías tu cono en un punto y sabrías con mucha más precisión de dónde viene la fuente. Más detectores le permitirían identificar esa ubicación con mayor precisión, pero solo se necesitan 3 para eliminar todas las degeneraciones.

Ahora, por supuesto, he estado describiendo cómo funcionaría "en teoría". En la práctica, las observaciones suelen ser mucho más desordenadas. Cualquier medición viene con error, por lo que incluso con 3 detectores no podrá identificar la ubicación exactamente. Es más probable que puedas localizarlo en un pequeño parche en el cielo. Ahí es donde se pueden usar otras técnicas de detección de dirección para refinar esa ubicación.

Sensibilidad del detector

La forma en que funciona el experimento es que se establece una masa que puede contraerse en longitud bajo la influencia de las ondas gravitacionales. Esta pequeña contracción del espacio-tiempo (y por lo tanto de la masa) por el paso se puede medir con láseres precisos e interferometría. Sin embargo, los láseres solo pueden medir la contracción de la masa en una dirección. El grado en que la masa se contrae en esa dirección depende de la dirección en la que la onda la golpea. Esto es una simplificación excesiva, pero si la modulación de la onda (es decir, la dirección en la que "sube" y "baja") se alinea perfectamente con la dirección en la que se miden las contracciones, se miden los efectos completos de la ola. Si la onda entra en algún ángulo con respecto a eso, todavía estás midiendo los efectos, pero

Este proceso de detección de la dirección de la onda requiere al menos 2 detectores, pero más es mejor para reducir el ruido.

En primer lugar, el mapa del cielo para el evento GW150914 cubre unos 600 grados cuadrados, de los cuales la Gran Nube de Magallanes es solo una pequeña fracción de eso, y además, la distancia estimada a esta fusión es de alrededor de 400 Mpc, órdenes de magnitud más grandes que la distancia a la LMC ( ~50kpc) [fuente] . Así que no asuma que aquí es de donde vino porque los cuadros de error son tan grandes que todavía no podemos identificarlo en una sola galaxia.

Con respecto a su pregunta, hubo una muy buena ilustración en la conferencia de prensa de ayer que describía la localización mejorada que agregaría un tercer detector (Virgo) a la triangulación de la posición de la fuente de ondas gravitacionales. Lamentablemente, no puedo encontrar una copia de la presentación de David de ayer, pero esta es una de las imágenes que mostró, con una comparación de los cuadros de error si Virgo también estaba operativo (no se muestra).

Además de esto, también confirmaron los planes para agregar un cuarto (KAGRA) y un quinto (LIGO India) observatorios de ondas gravitacionales para 2025, mejorando así aún más la localización de las fuentes. También se espera que las mejoras y actualizaciones de los detectores actuales mejoren ligeramente la localización.

Para determinar la posición original de las ondas gravitacionales, necesita más de 1 interferómetro. Estos interferómetros detectarán ondas gravitacionales en diferentes momentos. Si conocemos las ubicaciones exactas de nuestros interferómetros y el momento en que captan las ondas, podemos averiguar la ubicación exacta de la fuente.

Hice un breve video de demostración sobre interferómetros y cómo identificar ondas con ellos. Puedes consultarlo aquí: https://youtu.be/4enCrprmLn8

¡Que tengas un lindo día!