ZTFJ1539: cómo LISA podría estudiar una binaria de periodo ultracorto

Las ondas gravitacionales ofrecen una forma de estudiar fenómenos cósmicos distinta de la luz. La misión prevista LISA —siglas de Laser Interferometer Space Antenna— será un detector espacial con máxima sensibilidad en el rango de frecuencias ocupado por binarias compactas de periodo corto. ZTFJ1539+5027 pertenece a esa clase y ya se conocía por observaciones electromagnéticas. La investigación de Littenberg y Cornish pregunta qué información adicional podría aportar LISA cuando opere: sus cifras son pronósticos obtenidos mediante simulaciones, no resultados observacionales.

Los autores enviaron su trabajo a arXiv el 2 de agosto de 2019 y publicaron la versión 2 el 5 de agosto. Esa versión indica que el artículo fue aceptado en Astrophysical Journal Letters. El texto completo describe el método y las proyecciones en su versión 2 en arXiv. Como contexto, otro trabajo informó del descubrimiento de ZTFJ1539+5027 como una binaria eclipsante de dos enanas blancas, con periodo orbital de 6,91 minutos y una rápida disminución del periodo compatible con la relatividad general (artículo de descubrimiento).

Cómo construyeron las simulaciones

El análisis partió de parámetros del sistema obtenidos mediante observaciones electromagnéticas y con ellos generó una señal gravitacional de referencia. Algunas características de la señal no estaban determinadas por esas mediciones: la polarización y la fase inicial. Los investigadores asignaron valores aleatorios a esos parámetros dentro de distribuciones uniformes. Después aplicaron un método de análisis destinado a detectar y caracterizar binarias compactas en datos simulados de LISA.

El equipo consideró duraciones hipotéticas de observación de uno, dos, cuatro y ocho años. En el artículo, cuatro años representan una duración nominal de referencia y ocho años un posible escenario de misión extendida. No se trata de periodos ya observados por LISA. Además, la búsqueda fue dirigida: la posición celeste de ZTFJ1539 se fijó de antemano y el análisis se centró en la estrecha banda de frecuencias que contiene su señal. Estas condiciones delimitan lo que significan las proyecciones.

Una señal destacada en el modelo

Para unos cuatro años de datos simulados, los autores obtuvieron una relación señal-ruido de aproximadamente 140. Al variar aleatoriamente la polarización y la fase inicial, cerca del 20 % de las simulaciones permitió detectar la fuente en una semana al buscar específicamente en su posición celeste. Ese resultado de detección rápida dependía de los valores de esos dos parámetros.

En las simulaciones, la fuente sería detectable sin ambigüedad tras alrededor de un mes, independientemente de esas condiciones iniciales. El estudio también examinó la posible presencia de otras binarias en la banda analizada mediante simulaciones de poblaciones galácticas. Para la duración nominal considerada, los autores concluyeron que la probabilidad de que ZTFJ1539 quedara mezclada con otra fuente o se identificara erróneamente era baja. Es una conclusión del escenario modelado, no una garantía sobre datos futuros.

Mejoras previstas en inclinación y distancia

La inclinación expresa la orientación del sistema orbital con respecto al observador. Según las simulaciones, LISA podría medirla con una incertidumbre de una desviación estándar de aproximadamente 1° tras un año y de 0,15° tras ocho años en el escenario extendido. El artículo compara esta última precisión con la medición electromagnética disponible para el estudio y la estima unas cinco veces mejor.

La distancia también podría beneficiarse de combinar información electromagnética y gravitacional. Tras dos años simulados, la precisión prevista sería comparable a la que ofrecían entonces las observaciones electromagnéticas; con una misión extendida, la medida podría mejorar por un factor de 10. Los autores añaden que la mejora podría llegar en alrededor de un año si un seguimiento electromagnético continuado permitiera medir mejor la evolución orbital. Esta estimación presupone que dicha evolución está dominada por la emisión de ondas gravitacionales, como predice la relatividad general, y tiene en cuenta la incertidumbre de la disipación de mareas.

La combinación de observaciones permitiría contrastar información distinta: el análisis gravitacional podría medir directamente distancia e inclinación y restringir de forma independiente la dinámica orbital. En el modelo, los cambios orbitales asociados a la emisión gravitacional ayudarían también a separar parámetros que, de otro modo, resultarían difíciles de distinguir. Es una posibilidad planteada por el estudio, no un resultado ya observado en esta fuente.

La velocidad de la gravedad y los límites del pronóstico

Los investigadores estudiaron además cómo comparar los tiempos de los eclipses medidos electromagnéticamente con la fase inicial de la señal gravitacional. En las simulaciones, LISA podría determinar esos tiempos con una precisión de menos de un segundo. A partir de esa comparación, el artículo plantea una restricción novedosa: la velocidad de la gravedad quedaría dentro de 3,2 (2,1) × 10⁻¹² de la velocidad de la luz. Esa es la notación que presenta el trabajo; no es una medición obtenida para ZTFJ1539. Los autores señalan que la restricción sería unas 1.000 veces más débil que la obtenida con las observaciones gravitacionales y electromagnéticas conjuntas de GW170817, aunque corresponde a frecuencias y entornos muy diferentes.

Las cifras dependen de los parámetros electromagnéticos iniciales, el modelo de señal, el tiempo simulado y las hipótesis de análisis. Para los parámetros gravitacionales libres restantes, los autores usaron distribuciones previas uniformes. También consideraron posibles fuentes adicionales en la banda, aunque su análisis principal se centró en la señal objetivo. Por tanto, el artículo presenta una evaluación prospectiva condicionada por esas elecciones, no una descripción de una observación real.

En síntesis: el estudio de 2019 muestra cómo ZTFJ1539+5027 podría servir para combinar observaciones electromagnéticas con datos de ondas gravitacionales. Sus simulaciones anticipan una fuente detectable y posibles mejoras en la inclinación y la distancia, además de una restricción sobre la velocidad de la gravedad. La distinción fundamental es que se trata de proyecciones para LISA, no de detecciones ni de pruebas ya realizadas con esta binaria.