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Detectan por primera vez fusiones entre estrellas de neutrones y agujeros negros

Ilustración inspirada en un evento de fusión de un agujero negro y una estrella de neutrones.
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Ilustración inspirada en un evento de fusión de un agujero negro y una estrella de neutrones. (Foto: Carl Knox, OzGrav -Swinburne University)
martes 29 de junio de 2021, 15:01h

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

La detección de estas señales gravitacionales se produjo en enero de 2020. Según los autores del estudio las ondas fueron emitidas por dos sistemas, en los que un agujero negro y una estrella de neutrones, girando entre sí, se fusionaron en un solo objeto compacto. La existencia de estos sistemas fue predicha por los astrónomos hace varias décadas, pero nunca se habían observado con seguridad, ni a través de señales electromagnéticas ni gravitacionales. El resultado y sus implicaciones astrofísicas se han publicado hoy en The Astrophysical Journal Letters.

El 5 de enero de 2020, el detector Advanced LIGO en Livingston, Louisiana, en los EE. UU. Y el detector Advanced Virgo en Italia, observaron una onda gravitacional producida por las últimas órbitas en descomposición, antes de la fusión, de un par formado por una estrella de neutrones (EN) y un agujero negro (AN). Solo diez días después, se observó una segunda señal de onda gravitacional de la fase espiral la fusión de un sistema binario similar, esta vez tanto por los detectores avanzados LIGO como por el detector Virgo. Estos dos eventos, conocidos como GW200105 y GW200115, por la fecha en que fueron hallados, representan las primeras observaciones de ondas gravitacionales generadas por una mezcla de estrellas de neutrones y agujeros negros.

Los sistemas de estrellas de neutrones dobles se observaron por primera vez en la Vía Láctea en 1974 mediante el seguimiento de pulsos de ondas de radio emitidas por las estrellas de neutrones, conocidas como púlsares de radio. "Los astrónomos han pasado décadas buscando púlsares de radio que orbitan agujeros negros, pero hasta ahora no han encontrado ninguno en la Vía Láctea", señala Astrid Lamberts, investigadora del CNRS de la colaboración Virgo en los laboratorios Artemis y Lagrange, en Niza. "Con este nuevo descubrimiento, finalmente podemos comenzar a comprender cuántos de estos sistemas existen, con qué frecuencia se fusionan y por qué aún no hemos visto ejemplos en la Vía Láctea", añade.

Las señales gravitacionales detectadas en enero codifican información valiosa sobre las características físicas de los sistemas, como la masa y la distancia de los dos pares, así como sobre los mecanismos físicos que las han generado y provocan su colapso. El análisis de la señal ha demostrado que el agujero negro y la estrella de neutrones que crearon son, respectivamente, aproximadamente 8,9 veces y 1,9 veces la masa de nuestro Sol y su fusión ocurrió hace unos 900 millones de años, cientos de millones de años antes de la aparición los primeros dinosaurios en la Tierra. Para el evento GW200115, los científicos de Virgo y LIGO estiman que los dos objetos compactos tenían masas de alrededor de 5.7 Mo (BH) y 1.5 Mo (NS) y que se fusionaron hace casi 1.000 millones de años.

La masa más pesada estimada en ambos casos encaja dentro del rango predicho para los agujeros negros por los modelos de evolución estelar. La masa más ligera también es consistente con las estrellas de neutrones y estos resultados indican que ambos sistemas detectados son pares, incluso si tienen diferentes niveles de confianza. En este sentido, aunque la significación estadística de GW200105 no es muy alta, la 'forma' de la señal así como los parámetros inferidos de los análisis, llevan a los investigadores a creer en su origen astrofísico.

"Se ha dedicado una gran cantidad de trabajo y recursos computacionales a la estimación de este parámetro. De hecho, un tema crucial en el análisis de los datos registrados por los detectores de ondas gravitacionales es desenredar la información útil, que siempre viene mezclada con el ruido", comenta Giancarlo Cella. Investigadora INFN y coordinadora de análisis de datos de Virgo. "Necesitamos obtener nuestras mejores estimaciones de las propiedades de las fuentes y, al mismo tiempo, queremos saber cuál es la probabilidad de que la señal identificada sea solo una fluctuación aleatoria"

Una prueba adicional de la detección de un sistema mixto de agujeros negros de estrellas de neutrones habría 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 fuerzas de marea tan poderosas que se rompe. En este caso, además de las emisiones gravitacionales, también se podrían observar espectaculares llamaradas de radiación electromagnética, debido a la desintegración de la materia estelar alrededor del agujero negro: un mecanismo similar al que conduce a la formación de discos de acreción alrededor de agujeros negros gigantes. en el centro de las galaxias.

Esto probablemente no ocurrió ni para GW200105 ni para GW200115, porque en ambos casos la masa del agujero negro era demasiado grande, "Tenemos la evidencia de que nuestra sensibilidad está ahora por encima del umbral necesario para detectar sistemas de este tipo", afirmó Cella, "y esperamos que lo hagamos de forma rutinaria en las próximas ejecuciones".

Interpretación artística de un evento genérico de fusión de un agujero negro y una estrella de neutrones. / Carl Knox, OzGrav-Swinburne University

Dibujando un nuevo paisaje cósmico

“El hecho de que ahora hayamos detectado los tres tipos de binarios nos ayudará a desarrollar teorías que expliquen las propiedades de todos ellos de manera consistente”, indica Lamberts “De hecho, este descubrimiento nos permite profundizar en nuestro conocimiento de los fenómenos más extremos en el Universo, ayudándonos a comprender mejor qué mecanismos pueden haberlos generado ".

El resultado anunciado hoy, junto con las decenas de detecciones realizadas por Virgo y LIGO hasta la fecha, nos permiten, por primera vez, una observación de cerca de algunos de los fenómenos más violentos y raros del Universo y trazar una imagen sin precedentes de la multitud. y regiones caóticas que son uno de los posibles ambientes de crianza de estos eventos. Además, la información detallada que hemos comenzado a recopilar sobre la física del agujero negro y las fusiones de estrellas, nos da la oportunidad de probar las leyes fundamentales de la física en condiciones extremas, que obviamente nunca podremos reproducir en la Tierra.

“El descubrimiento anunciado es una joya más en el tesoro de la 3ª carrera de observación LIGO-Virgo”, afirma Giovanni Losurdo, portavoz de Virgo e investigador de INFN. “LIGO y Virgo siguen revelando colisiones catastróficas, que nunca antes se habían observado, arrojando luz sobre un paisaje cósmico verdaderamente nuevo. Ahora estamos mejorando los detectores con el objetivo de mirar mucho más lejos en la profundidad del cosmos, buscando nuevas gemas, buscando una comprensión más profunda del universo en el que vivimos ”.

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