Hace mucho tiempo, en dos galaxias a unos 900 millones de años luz de distancia, dos agujeros negros devoraron a sus compañeras estrellas de neutrones, desencadenando ondas gravitacionales que finalmente golpearon la Tierra en enero de 2020.
Descubiertos por un equipo internacional de astrofísicos, incluidos investigadores de la Universidad Northwestern, dos eventos, detectados con sólo 10 días de diferencia, marcan la primera detección de un agujero negro que se fusiona con una estrella de neutrones. Los hallazgos permitirán a los investigadores sacar las primeras conclusiones sobre los orígenes de estos raros sistemas binarios y la frecuencia con la que se fusionan.
«Las ondas gravitacionales nos han permitido detectar colisiones de pares de agujeros negros y pares de estrellas de neutrones, pero la colisión mixta de un agujero negro con una estrella de neutrones ha sido la elusiva pieza que faltaba de la imagen familiar de fusiones de objetos compactos«, comenta Chase Kimball, un estudiante graduado de Northwestern que es coautor del estudio. «Completar esta imagen es crucial para restringir la gran cantidad de modelos astrofísicos de formación de objetos compactos y evolución binaria. Inherentes a estos modelos son sus predicciones de las tasas a las que los agujeros negros y las estrellas de neutrones se fusionan entre sí. Con estas detecciones, finalmente tenemos mediciones de las tasas de fusión en las tres categorías de fusiones binarias compactas«.
«Todavía hay mucho que no sabemos sobre las estrellas de neutrones y los agujeros negros: cuán pequeños o grandes pueden llegar a ser, qué tan rápido pueden girar, cómo se emparejan en socios de fusión»
La investigación se publicó en la revista Astrophysical Journal Letters. El equipo incluye investigadores de LIGO Scientific Collaboration (LSC), Virgo Collaboration y el proyecto Kamioka Gravitational Wave Detector (KAGRA). Kimball, miembro de LSC, dirigió los cálculos de las estimaciones de la tasa de fusión y cómo encajan en las predicciones de los diversos canales de formación de estrellas de neutrones y agujeros negros. También contribuyó a los debates sobre las implicaciones astrofísicas del descubrimiento.
Kimball fue coasesorado por Vicky Kalogera, la investigadora principal del grupo LSC de Northwestern, directora del Centro de Exploración e Investigación Interdisciplinaria en Astrofísica (CIERA) y profesora de Física y Astronomía en las Facultades de Artes y Ciencias de Weinberg; y Christopher Berry, miembro de LSC y profesor de investigación de la Junta de Visitantes de CIERA en Northwestern, así como conferencista en el Instituto de Investigación Gravitacional de la Universidad de Glasgow. Otros coautores de Northwestern incluyen a Maya Fishbach, becaria postdoctoral Einstein de la NASA y miembro de LSC.
Dos eventos en diez días
El equipo observó los dos nuevos eventos de ondas gravitacionales, denominados GW200105 y GW200115, el 5 de enero de 2020 y el 15 de enero de 2020, durante la segunda mitad de la tercera serie de observación de los detectores LIGO y Virgo, denominada O3b. Aunque varios observatorios llevaron a cabo varios análisis de seguimiento, ninguno observó luz de ninguno de los eventos, consistente con las masas y distancias medidas.
«Tras el tentador descubrimiento, anunciado en junio de 2020, de una fusión de un agujero negro con un objeto misterioso, que podía ser la estrella de neutrones más masiva conocida, también es emocionante tener la detección de fusiones mixtas claramente identificadas, como predicen nuestros modelos teóricos ya desde hace décadas«, según Kalogera. «Hacer coincidir cuantitativamente las restricciones de tasa y las propiedades para los tres tipos de población será una forma poderosa de responder a las preguntas fundamentales de sus orígenes«.
En este vídeo, puede verse una simulación de relatividad numérica de colaboración MAYA de una fusión binaria de estrella de neutrones y agujero negro, centrada en los objetos fusionados que muestran la ruptura de la estrella de neutrones. Crédito: Deborah Ferguson (UT Austin), Bhavesh Khamesra (Georgia Tech), Karan Jani (Vanderbilt):
Los tres grandes detectores (tanto los instrumentos LIGO como el instrumento Virgo) distinguieron GW200115, que resultó de la fusión de un agujero negro de 6 masas solares con una estrella de neutrones de 1,5 masas solares, aproximadamente a mil millones de años luz de la Tierra. Con las observaciones de los tres detectores ampliamente separados en la Tierra, la dirección al origen de las ondas se puede determinar en una parte del cielo equivalente al área cubierta por 2.900 lunas llenas.
Sólo 10 días antes, LIGO detectó una fuerte señal de GW200105, usando un único detector mientras el otro estaba temporalmente fuera de línea. Mientras Virgo también estaba observando, la señal era demasiado silenciosa en sus datos para que Virgo ayudara a detectarla. A partir de las ondas gravitacionales, los astrónomos infirieron que la señal fue causada por un agujero negro de 9 masas solares que colisionó con un objeto compacto de 1,9 masas solares, que finalmente concluyeron que era una estrella de neutrones. Esta fusión ocurrió a una distancia de unos 900 millones de años luz de la Tierra.
Debido a que la señal era fuerte en un solo detector, los astrónomos no pudieron determinar con precisión la dirección del origen de las ondas. Aunque la señal era demasiado silenciosa para que Virgo confirmara su detección, sus datos ayudaron a reducir la ubicación potencial de la fuente a aproximadamente el 17% de todo el cielo, lo que equivale al área cubierta por 34.000 lunas llenas.
¿De dónde vienen?
Debido a que los dos eventos son las primeras observaciones confiables de ondas gravitacionales de agujeros negros que se fusionan con estrellas de neutrones, los investigadores ahora pueden estimar con qué frecuencia ocurren tales eventos en el universo. Aunque no todos los eventos son detectables, los investigadores esperan que ocurra aproximadamente una fusión de este tipo por mes a una distancia de mil millones de años luz.
Si bien no está claro dónde se forman estos sistemas binarios, los astrónomos identificaron tres posibles orígenes cósmicos: sistemas binarios estelares, entornos estelares densos que incluyen cúmulos estelares jóvenes y los centros de galaxias.
Actualmente, el equipo está preparando los detectores para una cuarta ejecución de observación, que comenzará en el verano de 2022.
«Ahora hemos visto los primeros ejemplos de agujeros negros fusionándose con estrellas de neutrones, por lo que sabemos que están ahí fuera«, comenta Fishbach. «Pero todavía hay mucho que no sabemos sobre las estrellas de neutrones y los agujeros negros: cuán pequeños o grandes pueden llegar a ser, qué tan rápido pueden girar, cómo se emparejan en socios de fusión. Con los datos de ondas gravitacionales futuras, tendremos las estadísticas para responder a estas preguntas y, en última instancia, aprender cómo se forman los objetos más extremos de nuestro universo«.
Fuente: Astrophysical Journal Letters.
