Detectan las primeras fusiones de agujeros negros y estrellas de neutrones

Se ha confirmado, por primera vez, la detección de colisiones entre agujero negros y estrellas de neutrones. En dos eventos ocurridos en enero de 2020, científicos de los proyectos internacionales LIGO-Virgo-KAGRA captaron las ondas gravitaciones producto de las fusiones de los objetos, al menos a 900 millones de años luz de nosotros.

En ambos eventos, las estrellas de neutrones fueron tragadas totalmente por sus respectivas parejas de agujeros negros.

Las ondas gravitacionales son perturbaciones del espacio-tiempo creadas por el movimiento acelerado de objetos tremendamente masivos. Desde su descubrimiento en 2015, que por cierto les valió el Premio Nobel de 2017, se han detectado más de 50 señales o eventos asociados con la fusión de pares de agujeros negros y pares de estrellas de neutrones.

Y ahora, en un nuevo estudio presentado esta semana, científicos anuncian la detección de dos eventos raros, involucrando en cada uno la colisión entre un agujero negro y una estrella de neutrones. En el primero, registrado el 05 de enero de 2020 y llamado GW200105, todo parece indicar que se trata de un agujero negro equivalente a 9 masas como la del Sol y una estrella de neutrones con 1.9 veces la masa de nuestra estrella. El segundo evento se observó el 15 de enero del mismo año, llamado GW200115, e involucró un agujero negro con 6 masas solares y una estrella de neutrones de 1.5 masas solares.

Visualización científica: T. Dietrich (Potsdam University and Max Planck Institute for Gravitational Physics), N. Fischer, S. Ossokine, H. Pfeiffer (Max Planck Institute for Gravitational Physics), T. Vu. Numerical-relativity simulation: S.V. Chaurasia (Stockholm University), T. Dietrich (Potsdam University and Max Planck Institute for Gravitational Physics)

El resultado de esta investigación es publicado en la revista Astrophysical Journal Letters.

Por décadas, la comunidad astronómica ha buscado estrellas de neutrones girando alrededor de agujeros negros en nuestra galaxia, sin embargo hasta ahora no se han observado. Las dos detecciones reportadas contribuirán a mejorar nuestro conocimiento sobre el número de sistemas similares que existen, con qué frecuencia colisionan y porqué, hasta ahora, no hemos localizado fusiones de este tipo en la Vía Láctea.

Las detecciones de ondas gravitacionales se hacen desde varios instrumentos de manera prácticamente simultanea. Por ejemplo, el proyecto LIGO consiste en dos observatorios separados por 3,002 km en línea recta (3,030 km sobre la superficie de la Tierra), uno en Livingston, Lousinana, y el otro en Hanford, Washington, Estados Unidos. Virgo, en Italia, trabaja de manera similar, con un observatorio. Precisamente, los observatorios de LIGO y Virgo consisten en interferómetros con forma de “L” que miden las minúsculas oscilaciones en el espacio-tiempo producidas por las ondas gravitacionales. Cuantas más mediciones en los puntos de observación, mejores estimaciones de las características y ubicación de los eventos se tiene.

La detección de GW200105 se realizó con los detectores de Livingston y Virgo, mientras que el de Hanford estaba fuera de servicio en ese momento. Por otro lado, GW200115 se observó con los dos detectores de LIGO y Virgo. Aunque KAGRA es parte de la colaboración desde 2020, no se encontraba operando durante los eventos.

Tanto en GW200105 como en GW200115, la comunidad astronómica escudriñó las llamadas contrapartes de los eventos, sin tener éxito. Esto es, se buscó “luz” en el espectro electromagnético (desde los rayos gamma hasta ondas de radio) de las fusiones. Debido a la distancia a la que ocurrieron las colisiones, era poco probable detectar fotones que evidenciaran el fenómeno, pero además, dadas las masas de los agujeros negros en comparación con las estrellas de neutrones, se espera que los primeros traguen completamente a los segundos, sin posibilidad de emitir prácticamente ninguna señal más allá de las ondas gravitacionales.

Masas del cementerio estelar. De abajo a arriba: Estrellas de neutrones detectadas en fusiones, usando LIGO-Virgo (naranja); Estrellas de neutrones detectadas mediante fotones (espectro electromagnético, EM, amarillo); Agujeros negros detectados mediante fotones a su alrededor (espectro electromagnético, EM, magenta o morado); Agujeros negros detectados en fusiones, usando LIGO-Virgo (azul). Las líneas en blanco señalan las fusiones detectadas y las masas resultantes. En la parte media se resaltan las dos fusiones reportadas en esta nota. Crédito de la imagen: LIGO-Virgo / Frank Elavsky, Aaron Geller / Northwestern University

En general, se considera a los agujeros negros y las estrellas de neutrones como los cadáveres o restos del final de estrellas masivas, después de la explosión de supernova, una vez que los astros son incapaces de continuar con fusiones nucleares. Todo parece indicar que esto es así con las estrellas de neutrones, pero en el caso de los agujeros negros, además de este mecanismo de formación también se ha propuesto el origen primordial, durante las primeras tapas del Universo.

En fin, continuando con la noticia de esta semana, anteriormente LIGO y Virgo habían encontrado dos candidatos de fusión entre estrellas de neutrones y agujeros negros… pero sólo eso: candidatos.

Un evento llamado GW190814, detectado el 14 de agosto de 2019, involucró una colisión de un agujero negro de 23 masas solares con un objeto de aproximadamente 2.6 veces el Sol, que podría ser la estrella de neutrones más pesada conocida o el agujero negro más ligero conocido. Dicho de otra manera, no tenemos certeza de la real naturaleza de los colisionantes. Otro evento candidato, llamado GW190426 y detectado el 26 de abril de 2019, era posiblemente una fusión de una estrella de neutrones y un agujero negro, pero la señal a ruido de los detectores no fue suficiente para confirmarlo.

Confiando en que los dos casos reportados ahora tienen evidencia suficiente para los investigadores, se estima que, dentro de los 1,000 millones de años luz alrededor de la Tierra, ocurre aproximadamente una de esas fusiones por mes.

Con las actualizaciones que se realizan a los instrumentos de LIGO, Virgo y KAGRA, se estima que para el verano del 2022 puedan detectarse ondas gravitacionales como estas una vez al día y desde luego, que permitan medir mejor las propiedades de los agujeros negros y la materia superdensa que forma las estrellas de neutrones.

Aproximadamente 1,400 científicos de todo el mundo participan en el análisis de los datos y el desarrollo de los detectores en la colaboración LIGO. Por su parte, Virgo está compuesta por unos 650 miembros, de 119 instituciones, en 14 países diferentes, incluidos Bélgica, Francia, Alemania, Hungría, Italia, los Países Bajos, Polonia y España. Finalmente, en el detector KAGRA, ubicado en Kamioka, Japón, participan más de 470 miembros de 11 países.

Referencias:

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