Virgo y LIGO observan el primer par combinado de un agujero negro y una estrella de neutrones

Grupo de investigación Virgo de la Universitat de ValènciaLas colaboraciones internacionales Virgo, LIGO y KAGRA han añadido una pieza a la comprensión de los fenómenos cósmicos extremos: la primera observación directa de pares formados por un agujero negro y una estrella de neutrones. Se trata de un fenómeno completamente nuevo, ya que las ondas gravitacionales detectadas hasta ahora habían sido generadas por pares de agujeros negros o pares de estrellas de neutrones. José Antonio Font, catedrático de Astronomía y Astrofísica de la Universitat de València (UV) e Isabel Cordero, profesora de la Facultad de Matemáticas, son integrantes del grupo de investigación de la UV en la colaboración científica Virgo. 

El descubrimiento proporciona nuevas perspectivas sobre los mecanismos complejos que podrían haber generado estos eventos tan extremos y raros, y, junto con las detecciones anteriores de Virgo y LIGO, comienza a arrojar luz sobre un paisaje cósmico todavía inexplorado.

Las colaboraciones científicas Virgo, LIGO y KAGRA han anunciado hoy la primera observación nunca vista de sistemas binarios formados por una estrella de neutrones (EN) y un agujero negro (AN). Ello ha sido posible gracias a la detección, en enero de 2020, de señales gravitatorias (etiquetadas como GW200105 y GW200115 por las fechas de sus detecciones) 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 estos sistemas fue predicha por la comunidad astronómica hace varias décadas, pero nunca habían sido observados con seguridad, ya fuese por señales electromagnéticas o gravitatorias, hasta ahora. El resultado y sus implicaciones astrofísicas han sido publicadas hoy en la revista The Astrophysical Journal Letters.

“El anuncio de hoy pone de nuevo de manifiesto el enorme potencial para el descubrimiento de la Astronomía de Ondas Gravitatorias”, apunta José Antonio Font, investigador de la Universitat de València en la colaboración Virgo. “Las dos señales observadas han vuelto a confirmar una predicción adelantada por modelos teóricos. Es muy excitante imaginar qué puede ocurrir con otras propuestas teóricas a medida que aumenten las prestaciones de los observatorios actuales”, concluye Font.

“Estamos en un momento de transición en la astronomía de ondas gravitacionales: desde las primeras detecciones individuales de objetos de diferente naturaleza que estamos viviendo ahora mismo, hasta las numerosas detecciones que están por llegar en los próximos años y que nos permitirán analizar de manera global las propiedades de poblaciones de estos objetos”, señala Isabel Cordero Carrión, miembro del equipo de divulgación y comunicación de la colaboración Virgo y profesora en la Universitat de València. “Iremos desvelando cómo se distribuyen objetos de los que, apenas unos años atrás, aún no teníamos prueba de su existencia, y analizando qué posible papel juegan en la formación de estructuras y en los distintos escenarios astrofísicos”.

Las señales gravitatorias detectadas en enero codifican información valiosa sobre las características físicas de los sistemas, tales como la masa y la distancia de los dos pares de estrella de neutrones y agujero negro (ENAN), así como sobre los mecanismos físicos que han generado estos objetos y han hecho que colapsen. El análisis de la señal ha mostrado que el agujero negro y la estrella de neutrones que originaron GW200105 son, respectivamente, alrededor de 8,9 y 1,9 veces tan masivos como el 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, LIGO y KAGRA estiman que los dos objetos compactos tenían 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.

Predicción

La estimación de la masa del objeto más masivo 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 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. 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.

Referencia bibliográfica

Abbot et al. 2021, Observation of Gravitational Waves from Two Neutron Star–Black Hole Coalescences. ApJL, 915, L5. DOI: 10.3847/2041-8213/ac082e.

Contribución en España

Seis grupos españoles contribuyen al estudio y análisis de las ondas gravitacionales detectadas por LIGOVirgo, en áreas que van desde el modelado teórico de las fuentes astrofísicas y el análisis de los datos hasta la mejora de la sensibilidad de los detectores para los períodos de observación actuales y futuros. Dos grupos, en la Universitat de les Illes Balears (UIB) y el Instituto Galego de Física de Altas Enerxías (IGFAE) de la Universidad de Santiago de Compostela (USC), forman parte de la Colaboración Científica LIGO; mientras que la Universitat de València (UV), el Instituto de Ciencias del Cosmos de la Universidad de Barcelona (ICCUB), el Institut de Física d’Altes Energies (IFAE) de Barcelona y el Instituto de Física Teórica (IFT) de la Universidad Autónoma de Madrid-CSIC son miembros de Virgo.

Observatorios de ondas gravitacionales:

La Colaboración Virgo está actualmente formada por aproximadamente 700 miembros de 126 instituciones en 15 países diferentes (principalmente en Europa). El Observatorio Gravitatorio Europeo (EGO, por sus siglas en inglés) alberga el detector Virgo cerca de Pisa, en Italia, y está financiado por el Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) en Francia, el Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) en Italia, y Nikhef en los Países Bajos.

Una lista de los grupos de la Colaboración Virgo puede encontrarse en este enlace.

LIGO ha sido financiado por la National Science Foundation (NSF) y operado por Caltech y MIT, que concibieron LIGO y lideraron el proyecto. La NSF, junto con Alemania (Sociedad Max-Planck), el Reino Unido (Science and Technology Facilities Council) y Australia (Australian Research Council – OzGrav), lideraron el apoyo económico para el proyecto Advanced LIGO, aportando compromisos y contribuciones significativas al proyecto. Aproximadamente 1.300 científicos de todo el mundo participan en las tareas de la Colaboración Científica LIGO, que incluye a la Colaboración GEO. Una lista de los colaboradores adicionales está disponible en este enlace.

El interferómetro láser KAGRA, con brazos de 3 kilómetros de longitud, está situado en Kamioka, Gifu, Japan. El instituto que lo alberga es el Institute of Cosmic Ray Researches (ICRR) en la Universidad de Tokyo, y el proyecto está cofinanciado por el Observatorio Astronómico Nacional en Japón (NAOJ, por sus siglas en inglés) y la High Energy Accelerator Research Organization (KEK). KAGRA finalizó su construcción en 2019, y se unió posteriormente a la red internacional de ondas gravitacionales de LIGO y Virgo. Más información sobre KAGRA puede encontrarse en su página web.

Fuente: UV







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