Las ondas gravitacionales revelan la fusión de un “objeto misterioso” con una estrella de neutrones

La colaboración LIGO/VIRGO/KAGRA busca en el universo ondas gravitacionales producidas por la fusión de agujeros negros y estrellas de neutrones. Ahora ha anunciado la detección de una señal que indica una fusión entre dos objetos compactos, uno de los cuales tiene una masa intermedia inusual: más pesado que una estrella de neutrones y más ligero que un agujero negro. La colaboración proporcionó detalles de su análisis de la fusión y el «objeto misterioso» en un borrador manuscrito publicado en física arXiv, sugiriendo que el objeto podría ser un agujero negro de muy baja masa.

LIGO detecta ondas gravitacionales mediante interferometría láser, utilizando láseres de alta potencia para medir pequeños cambios en la distancia entre dos objetos ubicados a kilómetros de distancia. LIGO tiene detectores en Hanford, estado de Washington, y en Livingston, Luisiana. Un tercer detector en Italia, Advanced VIRGO, entró en funcionamiento en 2016. En Japón, KAGRA es el primer detector de ondas gravitacionales en Asia y el primero construido bajo tierra. La construcción de LIGO-India comenzó en 2021 y los físicos esperan que se ponga en marcha en algún momento después de 2025.

Hasta la fecha, la colaboración ha detectado docenas de eventos de fusión desde su primer descubrimiento ganador del Premio Nobel. Las primeras fusiones detectadas involucraban dos agujeros negros o dos estrellas de neutrones, pero en 2021, LIGO/VIRGO/KAGRA confirmaron la detección de dos fusiones «mixtas» separadas entre agujeros negros y estrellas de neutrones.

La mayoría de los objetos involucrados en las fusiones detectadas por la colaboración se dividen en dos grupos: agujeros negros de masa estelar (que van desde unas pocas masas solares hasta decenas de masas solares) y agujeros negros supermasivos, como el que se encuentra en el centro de nuestra galaxia, la Vía Láctea ( que van desde cientos de miles a miles de millones de masas solares). Los primeros son el resultado de la muerte de estrellas masivas en una supernova que colapsa su núcleo, mientras que el proceso de formación de los segundos sigue siendo un misterio. El rango entre la estrella de neutrones más pesada conocida y el agujero negro más ligero conocido se conoce entre los científicos como «brecha de masa».

Ya ha habido indicios de ondas gravitacionales de objetos compactos que caen dentro de la brecha de masa. Por ejemplo, como se informó anteriormente, en 2019, LIGO/VIRGO captó una señal de onda gravitacional de una fusión de agujeros negros denominada «GW190521», que produjo la señal más energética detectada hasta el momento, y que aparece en los datos como más bien una «explosión». » que el habitual «chirrido». Aún más extraño, los dos agujeros negros que se fusionaron estaban encerrados en una órbita elíptica (en lugar de circular), y sus ejes de giro estaban mucho más inclinados de lo habitual en comparación con esas órbitas. Y el nuevo agujero negro resultante de la fusión tenía una masa intermedia de 142 masas solares, justo en el medio de la brecha de masa.

Ese mismo año, la colaboración detectó otra señal, GW 190814, una fusión binaria compacta que involucra un objeto misterioso que también se encontraba dentro de la brecha de masa. Sin una señal electromagnética correspondiente que acompañara a la señal de la onda gravitacional, los astrofísicos no pudieron determinar si ese objeto era una estrella de neutrones inusualmente pesada o un agujero negro especialmente ligero. Y ahora tenemos un nuevo objeto misterioso dentro de la brecha de masa en un evento de fusión denominado «GW 230529».

«Si bien se han reportado evidencias previas de objetos con brecha de masa tanto en ondas gravitacionales como electromagnéticas, este sistema es especialmente interesante porque es la primera detección de ondas gravitacionales de un objeto con brecha de masa emparejado con una estrella de neutrones», dijo la coautora Sylvia. Biscoveanu de la Universidad Northwestern. «La observación de este sistema tiene implicaciones importantes tanto para las teorías de la evolución binaria como para las contrapartes electromagnéticas de las fusiones de objetos compactos».

LIGO/VIRGO/KAGRA comenzó su cuarto recorrido de observación la primavera pasada y pronto captó la señal de GW 230529. Los científicos determinaron que uno de los dos objetos fusionados tenía una masa entre 1,2 y 2 veces la masa de nuestro sol (muy probablemente una estrella de neutrones), mientras que la masa del otro caía en el rango de diferencia de masa de 2,5 a 4,5 veces la masa de nuestro sol. . Al igual que con GW 190814, no hubo ráfagas de radiación electromagnética que lo acompañaran, por lo que el equipo no pudo identificar de manera concluyente la naturaleza del objeto misterioso más masivo ubicado a unos 650 millones de años luz de la Tierra, pero creen que probablemente sea una baja -agujero negro masivo. Si es así, el hallazgo implica un aumento en la tasa esperada de fusiones de estrellas de neutrones y agujeros negros con sus contrapartes electromagnéticas, según los autores.

«Antes de que empezáramos a observar el universo en ondas gravitacionales, las propiedades de objetos compactos como los agujeros negros y las estrellas de neutrones se inferían indirectamente de observaciones electromagnéticas de sistemas en nuestra Vía Láctea», dijo el coautor Michael Zevin, astrofísico del Planetario Adler. “La idea de una brecha entre las masas de las estrellas de neutrones y los agujeros negros, una idea que ha existido durante un cuarto de siglo, fue impulsada por tales observaciones electromagnéticas. GW230529 es un descubrimiento emocionante porque sugiere que esta «brecha de masa» está menos vacía de lo que los astrónomos pensaban anteriormente, lo que tiene implicaciones para las explosiones de supernovas que forman objetos compactos y para los posibles espectáculos de luz que se producen cuando un agujero negro destroza una estrella de neutrones. .”

arXiv, 2024. DOI: 10.48550/arXiv.2404.04248 (Acerca de los DOI).