Descubrimiento IMP de Física Gravitacional

Primera detección robusta de una fusión de estrella de neutrones y un agujero negro.

30 de junio de 2021

Los investigadores de LIGO, Virgo y KAGRA presentan dos nuevos eventos de ondas gravitacionales, que se detectaron en solo diez días en enero de 2020 durante la segunda mitad de la tercera ejecución de observación. La señal observada por los detectores LIGO y Virgo es la primera detección robusta de un agujero negro que se fusiona con una estrella de neutrones. Las ondas procedían de distancias de más de 900 millones de años luz, donde las estrellas de neutrones fueron "tragadas" completamente por sus agujeros negros. Si bien no se vio luz de ninguno de los eventos, las ondas gravitacionales se escucharon fuerte y claramente. Esto permitió a los investigadores sacar las primeras conclusiones sobre el origen de estos raros sistemas binarios y la frecuencia con la que se fusionan. Los resultados se publicaron hoy en Astrophysical Journal Letters. Los científicos del Instituto Max Planck de Física Gravitacional (Instituto Albert Einstein; AEI) en Potsdam y Hannover y de la Universidad Leibniz de Hannover han contribuido a los descubrimientos y su interpretación.

Impresión del artista (al estilo de un póster de película) de un agujero negro que se traga una estrella de neutrones. El cartel ilustra GW200105 y la secuela GW200115: la primera detección sólida de una fusión de estrella de neutrones y agujero negro. Aumentar imagen
Impresión del artista (al estilo de un póster de película) de un agujero negro que se traga una estrella de neutrones. El cartel ilustra GW200105 y la secuela GW200115: la primera detección sólida de una fusión de estrella de neutrones y agujero negro.
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Los dos eventos de ondas gravitacionales, apodados GW200105 y GW200115, se observaron el 5 de enero de 2020 y el 15 de enero de 2020, respectivamente. Estos primeros resultados de O3b, la segunda mitad de la tercera serie de observación de los detectores LIGO y Virgo, y sus implicaciones astrofísicas se publicaron en Astrophysical Journal Letters.

“En solo diez días en enero de 2020, nuestros detectores detectaron dos señales nuevas. Vinieron de agujeros negros de 9 y 6 masa solar, que chocaron con dos objetos más ligeros de 1,9 y 1,5 masa solar, respectivamente ”, dice Alessandra Buonanno, directora de AEI Potsdam y profesora de la Universidad de Maryland. “¡GW200115 es nuestra primera detección robusta de una fusión de estrella de neutrones y un agujero negro! Esta nueva e irresistible fuente de ondas gravitacionales completa nuestra colección de objetos compactos fusionados ".

El primero de los dos eventos, GW200105, fue detectado como una señal fuerte por uno de los detectores LIGO, mientras que el otro estaba temporalmente fuera de línea. 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. Concluyeron que el último objeto es una estrella de neutrones. Esta fusión ocurrió a una distancia de unos 900 millones de años luz.

“Aunque vemos una señal fuerte en un solo detector, llegamos a la conclusión de que es real y no solo ruido del detector. Pasa todos nuestros estrictos controles de calidad y sobresale de todos los eventos de ruido que vemos en la tercera serie de observación ”, dice Harald Pfeiffer, líder del grupo en el departamento de Relatividad Astrofísica y Cosmológica de AEI Potsdam y profesor de la Universidad de Potsdam.

Debido a que fue encontrado por un solo detector, la dirección al origen de las ondas no se puede determinar con mucha precisión: hasta aproximadamente el 17% de todo el cielo, equivalente al área cubierta por 34.000 lunas llenas.

La película representa un sistema compatible con GW200115, es decir, se eligió que la masa del agujero negro fuera de 6,1 masas solares y la masa de la estrella de neutrones se fijó en 1,4 masas solares. Ambos objetos no giraban.

El segundo evento, que se detectó solo 10 días después (GW200115), fue visto por los tres grandes detectores: tanto los instrumentos LIGO como el instrumento Virgo. Si bien es menos prominente que GW200105 en cada detector, la información combinada y las detecciones coincidentes lo convierten en una señal fuerte. GW200115 proviene de la fusión de un agujero negro de 6 masas solares con una estrella de neutrones de 1,5 masas solares. La colisión tuvo lugar 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.

Se llevaron a cabo varias observaciones de seguimiento por parte de múltiples observatorios, pero no se observó ninguna contraparte de ninguno de los eventos en las ondas electromagnéticas.

"Aunque observar una señal electromagnética de la fusión hubiera sido fantástico, no esperábamos necesariamente que eso sucediera", dice Frank Ohme, líder de un Grupo de Investigación Independiente Max Planck en AEI Hannover. “Cualquier luz sería muy tenue debido a las grandes distancias y sería difícil de encontrar porque las posiciones del cielo no son muy conocidas. Además, inferimos que los agujeros negros involucrados en esas fusiones simplemente se tragaron a sus socios de estrellas de neutrones enteros sin ningún espectáculo de luces ".

Solo a partir de la señal de la onda gravitacional es imposible decir con certeza si los objetos más ligeros son en realidad estrellas de neutrones. No hay evidencia clara a favor o en contra de las huellas dactilares de las deformaciones esperadas de la estrella de neutrones en la señal. “Si bien las ondas gravitacionales por sí solas no revelan la estructura del objeto más ligero, podemos inferir su masa máxima. Al combinar esta información con predicciones teóricas de masas de estrellas de neutrones esperadas en un sistema binario de este tipo, llegamos a la conclusión de que una estrella de neutrones es la explicación más probable ”, dice Bhooshan Gadre, investigador postdoctoral en el departamento de Relatividad Astrofísica y Cosmológica de AEI Potsdam.

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 pueden estimar con qué frecuencia ocurren tales eventos en el Universo. Esperan que se produzca aproximadamente una fusión de este tipo por mes a una distancia de mil millones de años luz. No todos esos eventos son detectables con los detectores actuales.

Si bien no está claro cómo se formaron estos sistemas binarios, hay tres posibilidades que los astrónomos identificaron como más probables. Las binarias estelares pueden convertirse en tales sistemas a medida que sus estrellas evolucionan con el tiempo hasta convertirse en agujeros negros y estrellas de neutrones. Los entornos estelares densos, como los cúmulos estelares jóvenes, son otro origen cósmico prometedor, así como los alrededores de los centros de las galaxias.

Los investigadores de AEI han contribuido significativamente a los análisis presentados en el documento. Han proporcionado modelos precisos de formas de onda de objetos compactos coalescentes, como agujeros negros y estrellas de neutrones, que incluyen la precesión de los giros de los objetos, momentos multipolares más allá del cuadrupolo dominante, así como los efectos de marea de la estrella de neutrones. Esas características físicas impresas en la forma de onda son cruciales para extraer información única sobre las propiedades de las fuentes. Las investigaciones de AEI también han participado activamente en el análisis y preparación de los resultados para su publicación. Los clústeres de computadoras de alto rendimiento “Minerva” e “Hypatia” en el AEI se emplearon en el desarrollo de los modelos de formas de onda; también se utilizaron para analizar las señales observadas.