Primera detección de ondas gravitacionales de agujero negro con estrella de neutrones

Hasta ahora se había detectado ondas gravitacionales producidas o bien por dos agujeros negros o bien por dos estrellas de neutrones, pero los detectores Virgo (localizado en Italia), LIGO (con dos instalaciones en EE UU) y el japonés KAGRA informan hoy en The Astrophysical Journal Letters de la primera observación directa de pares ‘combinados’ formados por un agujero negro y una estrella de neutrones.

El hallazgo se realizó en enero de 2020 cuando se detectaron dos señales gravitatorias emitidas por dos sistemas, en los cuales un agujero negro y una estrella de neutrones, girando uno alrededor de la otra, se fusionaron en un único objeto compacto. La existencia de estas parejas fue predicha por la comunidad astronómica hace varias décadas, pero hasta la fecha nunca habían sido observadas con seguridad, ya fuese por señales electromagnéticas o gravitatorias.

El 5 de enero de 2020, el detector Advanced LIGO en Livingston (Louisiana, EE UU) y el detector Advanced Virgo, observaron una onda gravitacional producida por las últimas órbitas (fase de espiral), antes de la fusión, de un par formado por una estrella de neutrones (EN) y un agujero negro (AN). En conjunto, ENAN.

Solo 10 días después, una segunda señal de onda gravitacional procedente de la fase de espiral y fusión de un sistema binario similar fue observada por los dos detectores de LIGO (tanto en el de Livingston como otro que opera en Hanford, estado de Washington) y el de Virgo.

Estos dos eventos, apodados como GW200105 y GW200115 por las fechas de sus detecciones, representan las primeras observaciones de ondas gravitacionales generadas por una combinación de una estrella de neutrones y un agujero negro, ya que dos señales gravitatorias anteriores (GW190814 y GW190426) habían sido consideradas candidatas ENAN, pero sin un nivel de confianza suficientemente elevado.

Los sistemas dobles de estrellas de neutrones se observaron por primera vez en la Vía Láctea en 1974 monitorizando pulsos de ondas de radio emitidos por estrellas de neutrones, conocidas como radio-púlsares.

“La comunidad astronómica ha dedicado décadas a buscar radio-púlsares orbitando alrededor de agujeros negros, pero no se ha encontrado ninguno en la Vía Láctea hasta ahora”, comenta Astrid Lamberts, investigadora del CNRS y miembro de la colaboración Virgo en los laboratorios Artemis y Lagrange, en Niza.

El sistema binario perdido

“Los pares de agujero negro y estrella de neutrones fueron de hecho para los astrónomos el 'sistema binario perdido' –destaca–. Con este nuevo descubrimiento, podemos finalmente comenzar a entender cómo muchos de esos sistemas existen, con qué frecuencia se fusionan, y por qué no hemos visto todavía ejemplos en la Vía Láctea”.

Las señales gravitatorias detectadas en enero codifican información valiosa sobre las características físicas de los sistemas, como la masa y la distancia de los dos pares de ENAN, así como sobre los mecanismos físicos que han generado estos objetos y han hecho que colapsen.

El agujero negro y la estrella de neutrones que originaron GW200105 son, respectivamente, 8,9 y 1,9 veces tan masivos como nuestro Sol y su fusión tuvo lugar hace unos 900 millones de años

El análisis de la señal ha mostrado que el agujero negro y la estrella de neutrones que originaron GW200105 son, respectivamente, de alrededor de 8,9 y 1,9 veces tan masivos como nuestro Sol y que su fusión tuvo lugar hace unos 900 millones de años, cientos de millones de años antes de que los primeros dinosaurios aparecieran en la Tierra.

En el caso del evento GW200115, los científicos de Virgo y LIGO estiman que los dos objetos compactos tenían masas de unas 5,7 (para el AN) y 1,5 (para la EN) veces la masa del Sol y que se fusionaron hace casi mil millones de años.

La estimación de la masa más masiva en ambos casos cae dentro del intervalo de ajuste predicho para los agujeros negros formados en los modelos de evolución estelar. La masa más ligera es también consistente con las estrellas de neutrones y esos resultados indican que ambos sistemas detectados son pares ENAN, incluso si tienen diferentes niveles de confianza.

En este sentido, aunque la significancia estadística de GW200105 no es tan alta, la “forma” de la señal así como los parámetros inferidos de los análisis, conducen a los investigadores a creer que tiene un origen astrofísico.

“Una gran cantidad de trabajo y de recursos computacionales se ha dedicado a la estimación de estos parámetros. De hecho, un aspecto crucial en el análisis de los datos registrados por los detectores de ondas gravitacionales es extraer la información útil, que siempre se mezcla con el ruido”, apunta Giancarlo Cella, investigador del Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) y coordinador del grupo de análisis de datos de Virgo.

“Necesitamos obtener nuestras mejores estimaciones de las propiedades de las fuentes y al mismo tiempo queremos conocer cuál es la probabilidad de que una señal identificada se deba simplemente a una fluctuación aleatoria”, añade.

Una prueba adicional de la detección de un sistema mixto de una estrella de neutrones y un agujero negro podría haber sido la detección de radiación electromagnética junto con las ondas gravitacionales. De hecho, si las masas de los dos objetos compactos son aproximadamente comparables, la estrella de neutrones, mientras se acerca al agujero negro, está sujeta a tales fuerzas de marea que se fragmenta.

En este caso, además de las emisiones gravitatorias, se podría también observar una llamarada espectacular de radiación electromagnética, debido a la desintegración de la materia estelar alrededor del agujero negro: un mecanismo similar a lo que conduce a la formación de discos de acreción alrededor de agujeros negros gigantes en el centro de las galaxias.

Sin llamarada espectacular

Esto probablemente no sucedió ni para GW200105 ni para GW200115, ya que en ambos casos la masa del agujero negro era muy grande, por lo que una vez la separación entre los dos objetos fue suficientemente pequeña, el agujero negro, por así decirlo, se tragó a su compañera de un solo mordisco.

“Tenemos la evidencia de que nuestra sensibilidad está ahora por encima del umbral requerido para detectar sistemas de este tipo”, afirma Cella, “y esperamos que hagamos esto de manera rutinaria en los próximos períodos de observación”.

Dibujando un nuevo paisaje cósmico

“El hecho de que hayamos detectado ahora los tres tipos de sistemas binarios nos ayudará a desarrollar teorías para explicar las propiedades de todos ellos de manera consistente”, apunta Lamberts.

“De hecho, este descubrimiento nos permite profundizar en nuestra comprensión sobre los fenómenos más extremos del Universo, ayudándonos a entender mejor qué mecanismos podrían haberlos generado.”

El resultado anunciado hoy, junto con las docenas de detecciones realizadas por Virgo y LIGO hasta la fecha, permiten, por primera vez, una observación cercana de uno de los fenómenos más violentos y raros del universo, y dibujar una imagen inédita de las concurridas y caóticas regiones que son uno de los posibles entornos en donde se generan estos eventos.

Además, la información detallada que se empieza a recopilar sobre la física de las fusiones de agujeros negros y estrellas de neutrones, ofrece la oportunidad de poner a prueba las leyes fundamentales de la física en condiciones extremas, que obviamente nunca se podrán reproducir en la Tierra.

“El descubrimiento anunciado hoy es una gema más en el tesoro del tercer período de observación de LIGO-Virgo”, subraya Giovanni Losurdo, portavoz de Virgo e investigador del INFN.

“LIGO y Virgo continúan desvelando colisiones catastróficas, nunca antes observadas, arrojando luz sobre un paisaje cósmico genuinamente nuevo –añade–. Ahora estamos actualizando los detectores con el objetivo de mirar mucho más allá en las profundidades del cosmos, buscando nuevas gemas, persiguiendo una comprensión más profunda del universo en el que vivimos”.

Participación española

En la colaboración LIGO participa el Instituto Galego de Física de Altas Energías (IGFAE) de la Universidad de Santiago de Compostela y la Universidad de las Islas Baleares (UIB), mientras que la Universitat de València (UV), el Instituto de Ciencias del Cosmos de la Universidad de Barcelona (ICCUB) y el Institut de Física d’Altes Energies (IFAE) de Barcelona son miembros de Virgo.