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¿Es un agujero negro? ¿Es una estrella de neutrones? Buena pregunta.

Título: GW190814: las ondas gravitacionales de la fusión de un agujero negro de 23 M con un objeto compacto de 2,6 M

Autores: La colaboración científica LIGO y la colaboración Virgo

Estado: aceptado por ApJ Letters, acceso abierto en arXiv

Astrobite original por  Brent Shapiro-Albert 

Imagen de portada: LIGO

En los últimos cinco años, el Observatorio de ondas gravitacionales con interferómetro láser , o LIGO, ha reportado las detecciones de ondas gravitacionales de las fusiones de los sistemas binarios de agujeros negros y estrellas de neutrones. En su tercera campaña de observación, O3, que se llevó a cabo del 1 de abril al 30 de septiembre de 2019, LIGO, junto con VIRGO , ya ha informado acerca de dos nuevas y emocionantes detecciones: la fusión de dos agujeros negros con la mayor diferencia de masas observada (GW190412) y una segunda fusión binaria de estrellas de neutrones (GW190425). El artículo de hoy se centra en su último anuncio, GW190814 (que se muestra en la Figura 1), que puede darnos nuevas ideas sobre la formación de sistemas binarios asimétricos y cómo es la materia dentro de una estrella de neutrones .

Figura 1: Energía gravitacional en función del tiempo del evento GW190814 como se ve en los dos detectores LIGO y en Virgo. Se puede inferir de LIGO Livingston que a medida que la energía aumenta en frecuencia, el sistema entra en un espiral cada vez más rápido hasta que se fusiona (en el tiempo Time = 0). Esta señal estándar también se llama “chirrido” ( Figura 1 del artículo) .

GW190814 es similar a GW190412, ya que la diferencia entre las masas de los objetos fusionados es grande. El objeto más pesado es definitivamente un agujero negro con una masa 23 veces la masa del Sol (masas solares, o M), y el más pequeño es solo 2.6 M, como se muestra en la Figura 2. Sin embargo, no está claro si el 2.6 M objeto es un agujero negro o una estrella de neutrones. De cualquier manera, ¡es un récord! Es el agujero negro menos masivo o la estrella de neutrones más masiva jamás observada en un sistema binario con otro objeto compacto .

¿Agujero negro o estrella de neutrones?

Esa es la pregunta. Y es una pregunta muy difícil de responder. Una razón que dificulta esto es que no se ha asociado radiación electromagnética con esta fusión. Entonces, a diferencia de la kilonova que estaba asociada con GW170817 , todo con lo que tenemos que trabajar es la radiación gravitacional. Tampoco conocemos muchos agujeros negros o estrellas de neutrones con masas entre 2.5-5 M, de hecho, en este rango se encuentra la brecha de masa. Esto hace difícil determinar si el objeto más pequeño es un agujero negro o una estrella de neutrones, ya que hay pocos ejemplos con los que comparar.

Figura 2: La distribución de probabilidades de las masas de los dos objetos compactos que forman parte de GW180914. La región azul oscuro muestra las masas más probables de los dos objetos, con los contornos negro, naranja sólido y azul que representan diferentes métodos para estimar las masas. Los contornos muestran el 90% de la región de probabilidad y son consistentes entre sí. Las probabilidades unidimensionales de cada masa se muestran en el panel superior para el objeto más masivo, y el panel derecho para el objeto menos masivo. Las regiones verde y naranja discontinua en el panel derecho muestran las regiones de probabilidad para las masas máximas de estrellas de neutrones de dos modelos diferentes. El hecho de que la región gris que muestra la región de probabilidad para la masa del objeto más pequeño no coincida con los picos de las regiones verde y naranja muestra que es poco probable que sea una estrella de neutrones. ( Figura 3 en el documento ) .

Otra razón por la que esto es difícil de resolver es que realmente no sabemos cómo se comporta la materia dentro de las estrellas de neutrones. Este comportamiento, conocido como la ecuación de estado de la estrella de neutrones (EOS), describe cuán masiva puede ser una estrella de neutrones, pero es muy difícil de precisar. Dado que una cucharada de estrella de neutrones pesaría más que el Monte Everest (¡eso es alrededor de miles de millones de toneladas!), No podemos hacer material tan denso en la Tierra. La ecuación de estado de las estrellas de neutrones se revisa constantemente en función de las mediciones de las masas de estrellas de neutrones. La estrella de neutrones más pesada conocida mide aproximadamente 2.14 M, más liviana que la 2.6 M objeto en este sistema de fusión. Al comparar las masas máximas de diferentes EOS de estrellas de neutrones predichas, los autores encuentran que es poco probable, aunque no imposible, que este objeto más pequeño sea una estrella de neutrones. Pero ‘improbable’ no es una respuesta concluyente, por lo que los autores recurren a otros métodos.

También intentan precisar la naturaleza de este objeto utilizando lo que sabemos sobre los agujeros negros giratorios y sobre las estrellas de neutrones desde la relatividad general . Al tratar de restringir el giro del objeto más pequeño en el sistema a través del estudio de la forma de la onda gravitacional, se puede determinar si es más probable que sea una estrella de neutrones o un agujero negro. Lamentablemente, los resultados de estos estudios son bastante ambiguos y ofrecen poca información sobre la naturaleza del objeto más pequeño. Por lo tanto, los autores solo pueden decir que el objeto más pequeño en este sistema binario probablemente no sea una estrella de neutrones, pero no pueden descartar esta posibilidad del todo.

Entonces, ¿qué podemos aprender de GW190814?

Si resulta que el objeto más pequeño es de hecho una estrella de neutrones, entonces podemos poner nuevos límites a la estrella de neutrones EOS, lo que les permite ser más densos y tener presiones internas más altas de lo que se pensaba. Actualmente hay muy pocos modelos que permitan que las estrellas de neutrones tengan masas de 2.6M, por lo que esto daría una nueva visión de cómo se comporta la materia dentro de una estrella de neutrones.

Pero incluso si GW190814 resulta ser una fusión binaria de agujeros negros, nos dice que la brecha de masa más baja puede estar esperando ser llenada. Y este es el segundo evento reportado por LIGO/VIRGO que tiene una diferencia de masa significativa, lo que demuestra que hay muchos más sistemas como este que los que inicialmente se esperaban. Encontrar más sistemas con masas desiguales también nos permite estudiar cómo podrían formarse. De hecho, los autores descubrieron que GW190814 desfavorece entornos de formación como cúmulos globulares y favorece entornos cercanos a los centros de galaxias con agujeros negros supermasivos.

¿Sabremos alguna vez qué es este sistema?

Quizás, pero probablemente no por un tiempo. A medida que los astrónomos pesan más estrellas de neutrones, descubren objetos en la brecha de masas e informan sobre más sistemas de fusión como este, podremos poner restricciones más estrictas sobre la naturaleza del objeto más pequeño que era parte de GW190814. Es probable que LIGO/VIRGO encuentren más sistemas como este, y se espera que los futuros detectores de ondas gravitacionales como LISA encuentren muchos de estos sistemas binarios de objetos compactos de baja masa. Por lo tanto, es posible que tengamos que esperar por ahora, pero con los nuevos y emocionantes descubrimientos que siguen siendo detectados, es posible que esto suceda más temprano que tarde.

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