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El último descubrimiento de LIGO-Virgo: estrellas de neutrones tragadas enteras por agujeros negros

Créditos de imagen destacada: Virgo Collaboration.

La búsqueda de una pareja estrella de neutronesagujero negro en un sistema binario ha sido uno de los santos griales de la astronomía desde hace décadas, tanto por la extrema gravedad del sistema y los interesantes experimentos que podrían conllevar, como por el estudio de la evolución estrofísica y su formación. Sin embargo, el descubrimiento de un sistema de estas características ha sido elusivo… hasta ahora, pues los astrónomos y astrónomas trabajando con los detectores de ondas gravitacionales LIGO y Virgo acaban de anunciar la detección de, no una, sino dos fusiones de una estrella de neutrones con un agujero negro, ocurridas con tan solo 10 días de diferencia.

Ondas gravitacionales y los interferómetros LIGO y Virgo.

Imagen 1: el primer evento gravitacional jamás observado por los detectores de LIGO en Handford y Livingstone. Arriba, se muestran las oscilaciones de los espejos medidas en función del estrés mecánico de los espejos (strain en inglés), dónde se ve la oscilación creciendo en intensidad y frecuencia como ha sido descrito en el texto. Abajo se ve la curva de frecuencia-tempo. La frecuencia de las ondas crece hasta que ocurre la fusión, y luego la señal se apaga. Créditos: Abbot et al. 2016, Physics Review.

La gravedad, igual que los campos electromagnéticos, se propaga a la velocidad de la luz. Y de la misma forma que cargas eléctricas en movimiento producen ondas electromagnéticas llamadas “luz”, grandes masas en movimiento producen también ondas gravitacionales. Pero debido a su baja potencia, solamente los observatorios más potentes pueden detectar ondas gravitacionales de los objetos más masivos moviéndose a velocidades cerca de la velocidad de la luz.

La fusión de objetos compactos como estrellas de neutrones y agujeros negros son las fuentes más intensas de esta radiación. Sus órbitas circulares crean oscilaciones periódicas en la gravedad que se traducen en ondas gravitacionales. Esta radiación se lleva energía del sistema, haciendo que las órbitas se reduzcan progresivamente y los objetos caigan en espiral hacia un centro común, incrementando su velocidad y potencia de emisión, hasta que la fusión ocurre en un espectacular clímax y la gravedad vuelve al silencio.

Los interferómetros LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) en Handford y Livingston (EUA), y Virgo en Italia han sido diseñados para detectar estas ondas gravitacionales. Utilizando la técnica de interferometría con rayos láser de diversos kilómetros de longitud, pueden detectar oscilaciones entre los espejos con una amplitud de una fracción del radio de un protón en la distancia debido al paso de una onda gravitacional. Con esta técnica, decenas de eventos gravitacionales han sido observados, la mayoría correspondiendo a la fusión de o bien agujeros negros o bien estrellas de neutrones (en la Imagen 1 se muestra la señal de GW150914, el primer evento jamás observado). Pero los dos últimos son especiales: datando del 5 y el 15 de enero de 2021, provienen de las dos primeras fusiones híbridas, es decir, agujeros negros devorando estrellas de neutrones.

GW200105 y GW200115

Imagen 2. Los eventos GW200105 y GW20015 en los respectivos detectores. Igual que en la parte baja de la Figura 1, se representa la intensidad de señal en cada punto de frecuencia y tiempo, siendo el amarillo dónde hay más intensidad. GW200105 se puede ver a simple vista en los datos de LIGO Livingston, donde toma forma de la línea amarilla que se curva hacia arriba, pero no fue detectado en Virgo. GW200115 fue detectado en todos los observatorios, pero es demasiado tenue para ser visto con el ojo. Los puntos amarillos con distribución aparentemente aleatoria son ruido experimental que los investigadores han de sustraer para el análisis de datos. Créditos: Abbot et al. 2021, The Astrophysical Journal Letters.

GW200105_162426 y GW200115_042309, referidos cómo a GW200105 y GW200115 ocurrieron de formas distintas. El 15 enero de 2021, a las 04:23:10 UTC, la señal de GW200115 fue detectada en los tres interferómetros a la vez (dos de LIGO más Virgo) con baja intensidad (Imagen 2, derecha). Sin embargo, el hecho de que la señal fue vista en los tres detectores a la vez descartó la posibilidad de que se tratara de una fluctuación estadística, ruido o interferencia. En cambio, el 5 de enero a las 16:24:26 UTC, cuando  GW200105 fue detectado en LIGO Livingston, LIGO Handford se encontraba fuera de servicio. Además, la señal no fue vista en Virgo ya que tiene menor sensibilidad (Imagen 2, izquierda). Sin embargo, pese a ser visto en un solo observatorio, la señal de GW200105 fue más fuerte y pasó los estándares de calidad para considerarse de origen astrofísico. Ambas señales duraron tan solo unos segundos y provocaron observaciones inmediatas de telescopios de rayos gamma FERMI o Neils Gehrels Swift. Desafortunadamente, en ninguno de los dos casos fue identificada una contraparte1 en luz electromagnética.

1: contraparte significa la detección astronómica de un mismo objeto pero con otro tipo de radiación. En este caso luz. También se entre diferentes tipos de luz, por ejemplo un objeto que brille en el visible puede tener una contraparte en rayos X o infrarrojo, e incluso en neutrinos.

Imagen 3. Dispersión de probabilidad de las masas de los objetos en GW201105 (rojo) y GW20115 (azul), con los contornos indicando el límite del 90% de credibilidad. m1 corresponde a la masa principal (de los agujeros negros, en este caso), y m2 a la masa secundaria (de las estrellas de neutrones). Los contornes grises representan anteriores candidatos a fusiones híbridas que no fueron confirmados. Los gráficos de arriba y la derecha son proyecciones de las distribuciones de masa en solamente m1 (arriba) o m2 (derecha). Las curvas verdes de la derecha representan estimaciones de la masas máxima que puede tener una estrella de neutrones antes de colapsar en un agujero negro. Créditos: Abbot et al. 2021, The Astrophysical Journal Letters

Tan pronto como supieron de ello, astrónomos y astrónomas de la colaboración LIGO-Virgo se pusieron manos a la obra y analizaron las señales. Y se llevaron una gran sorpresa por la desigualdad entre masas de los componentes, como se muestra en la Imagen 3, estos tienen 8.9(+1.2/-1.7) masas solares y 1.9(+0.3/-0.2) masas solares en GW200105, y 5.7(+1.8/-2.1) y 1.5(+0.7/-0.3) masas solares en GW200115. Teniendo las estrellas de neutrones menos de 3 masas solares y los agujeros negros de masa estelar más de 5 masas solares, esto los clasifica cómo fusiones de estrellas de neutrones con agujeros negros. O más bien, como agujeros negros devorando estrellas de neutrones.

Yendo aún más lejos, los astrónomos indagaron en los detalles de la fusión y han calculado que estas ocurrieron a distancias de 280(+110/-110) Mpc y 300(+150/-100) Mpc y concluyeron que las señales cumplen con lo predicho por la relatividad general. También buscaron si había indicios de disrupción de marea en uno de los componentes, lo que sería esperable si las estrellas de neutrones fueron “rotas” por la fuerte gravedad de los agujeros negros. Sin embargo, ningún indicio en esta dirección fue detectado. Junto con la ausencia de luz proveniente de la dirección de los objetos en fusión, ¡esto indica que las estrellas de neutrones fueron más bien tragadas enteras por sus agujeros negros!

Otras implicaciones de los eventos.

Imagen 4. Diagrama con las masas de todos los eventos detectados por LIGO-Virgo hasta la fecha. Las dos nuevas detecciones se encuentran en el centro. EM se refiere a objectos electromagnéticos, es decir, descubiertos por su emisión de luz con técnicas astronómicas más tradicionales. Créditos: LIGO-Virgo & Frank Elavsky, Aaron Geller, Northwestern University.

Estas dos fusiones se añaden a la colección de eventos gravitacionales detectados hasta ahora, siendo especiales por ser las primeras en contener tanto una estrella de neutrones cómo un agujero negro. En la Imagen 4, se puede apreciar que la detección de fusiones con componentes livianos como GW200105 o GW200115 son relativamente excepcionales. Con ellas, y teniendo en cuenta la sensibilidad de los observatorios, los astrónomos han estimado un límite superior en el ritmo de fusiones de estrellas de neutrones-agujeros negros de 130(+112/-60) eventos/Gpc3/año.

En teoría, fusiones de estrellas de neutrones y estrellas de neutrones con agujeros negros también pueden ser usadas como candelas estándar (o sirenas estándar, en la jerga gravitacional) y medir la constante de Hubble. Sin embargo, debido a la ausencia de contrapartes electromagnética, esto no ha sido posible con GW200105 o GW200115.

Aún así, estos dos eventos han sido muy fortuitos y han abierto la ventana a la observación de un tipo de sistema que había sido muy elusivo hasta ahora. Es solamente cuestión de tiempo que otro similar y más brillante aparezca en los datos, y así seguir expandiendo nuestro conocimiento del universo. 

Acerca de Miquel Colom i Bernadich

Nacido y criado en Catalunya, mostré mi interés por la astronomía desde bien chiquitito. Estudié física fundamental en la Universidad de Barcelona y redacté mi tesis de grado sobre el crecimiento de las galaxias. Cursé un máster en astronomía y ciencias del espacio en la Universidad de Uppsala, en Suecia, donde practiqué astronomía de neutrinos con la gente del IceCube entre otras cosas. Redacté mi tesis de máster en Berlín sobre astronomía de rayos-X con los telescopios XMM-Newton y eROSITA, y ahora soy estudiante doctoral en Instituto Max Planck por la Radioastronomía en Bonn, Alemania. Mi tarea actual es cazar y analizar radiopúlsares, estrellas de neutrones magnetizadas con altas frequencias de rotación, con los radiotelescopios de MeerKAT y Parkes. En mi tiempo libre soy un gamer, lector y excursionista. Me interesa mucho la historia moderna también.

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