Una señal de onda gravitacional inusual ha arrojado nueva luz sobre el misterio de la ‘brecha de masa’ entre las estrellas de neutrones y los agujeros negros, en un descubrimiento de los detectores LIGO y Virgo, en el que participa el Instituto Galego de Física de Altas Enerxías (Igfae) –de la Universidade de Santiago de Compostela (USC)–.

Cuando las estrellas más masivas mueren, colapsan bajo su propia gravedad y dejan agujeros negros. Cuando las estrellas que son un poco menos masivas que estas mueren, explotan en una supernova y dejan restos densos y muertos de estrellas llamadas estrellas de neutrones.

Durante décadas, los astrónomos han quedado perplejos por una brecha que se encuentra entre las estrellas de neutrones y los agujeros negros. La estrella de neutrones más pesada conocida no tiene más de 2,5 veces la masa del sol, y el agujero negro más ligero conocido es de aproximadamente 5 masas solares.

El 14 de agosto de 2019, el Observatorio de Ondas Gravitacionales con Interferómetro Láser (LIGO) y el detector europeo Virgo captaron una señal de ondas gravitacionales de la fusión de dos objetos astronómicos que podrían ayudar a desarrollar la comprensión de esta brecha de masa.

Ahora, se publica un artículo sobre la detección en ‘The Astrophysical Journal Letters’. La señal, denominada GW190814, es el resultado de un agujero negro 23 veces el tamaño de nuestro sol fusionándose con un misterioso segundo objeto alrededor de 2,6 veces más grande que nuestro sol. En una proporción de 9:1, es la mayor diferencia en masas observada durante una colisión por astrónomos de ondas gravitacionales.

La fusión creó un nuevo agujero negro de 26 masas solares de tamaño y provocó una explosión de energía en forma de ondas gravitacionales, que se extendieron por el espacio-tiempo como cuando una roca se cae en un estanque. Unos 800 millones de años después de la colisión, esas ondas finalmente llegaron a la Tierra y pasaron a través de los detectores de ondas gravitacionales LIGO y Virgo.

PAPEL DEL IGFAE

El programa de investigación de ondas gravitacionales del Igfae, centro mixto de la Universidade de Santiago de Compostela (USC) y la Xunta de Galicia, es el miembro más reciente en adherirse a la Colaboración LIGO en España.

El programa se creó en noviembre de 2018 con la incorporación de Thomas Dent, coordinador del programa de ondas gravitacionales en el Igfae, quien tiene una gran experiencia en los métodos de análisis para detectar señales de ondas procedentes de la fusión de sistemas binarios de agujeros negros y estrellas de neutrones, tales como los 14 eventos catalogados hasta el momento por la colaboración LIGO-Virgo.

El Igfae está trabajando en la actualización de los canales de detección de este tipo de eventos por medio del software PyCBC, con el objetivo de maximizar el alcance de las búsquedas de binarias en la toma de datos más reciente, denominada El3 así como en tomas de datos futuras.

El grupo está también involucrado en la deducción de información relativa a las poblaciones de fuentes de ondas gravitacionales, incluyendo los indicios que las docenas de nuevas detecciones probables de binarias de agujeros negros proporcionarán sobre la formación y evolución de estos sistemas binarios.

Miembros del grupo del Igfae trabajan en el observatorio de rayos cósmicos Pierre Auger, en Malargüe, Mendoza (Argentina), siendo responsables de la búsqueda de neutrinos de energías extremadamente altas en coincidencia temporal y espacial con el evento GW190814, así como con todos los eventos anunciados durante la toma de datos El3.

Además, fueron coautores junto con las colaboraciones LIGO y Virgo de trabajos en los que se establecieron los límites más restrictivos a la emisión de neutrinos de ultra-alta energía procedentes de la fusión del sistema binario de estrellas de neutrones GW170817. Este grupo continuará realizando seguimientos multimensajero en futuras tomas de datos.

«El suceso GW190814 muestra nuevamente el potencial de la red global de detectores para localizar estos misteriosos eventos cósmicos en el espacio con mayor precisión, con el objetivo de buscar cualquier emisión de luz u otras partículas. Estamos mejorando continuamente los métodos para la detección y el seguimiento de las fuentes de ondas gravitacionales a medida que la red va ampliándose», señala Dent.

UN DESCUBRIMIENTO «EMOCIONANTE»

Investigadores del Instituto de Investigación Gravitacional (IGR) de la Universidad de Glasgow desempeñaron un papel clave en el análisis de datos que dio sentido a la señal.

El doctor Christopher Berry, profesor recientemente designado en el IGR, dijo en un comunicado: «Este descubrimiento es emocionante, puede ser la colisión de una estrella de neutrones y un agujero negro, algo que hemos estado buscando durante mucho tiempo.

«Nuestro primer descubrimiento de ondas gravitacionales en septiembre de 2015 provino de la fusión de dos agujeros negros. En agosto de 2017 encontramos dos estrellas de neutrones fusionadas. ¡Nos faltaba una fusión de agujeros negros de estrellas de neutrones para completar el set!.

«Cada nueva observación nos dice más sobre la naturaleza de los agujeros negros y las estrellas de neutrones. En este caso, no estamos seguros de si el objeto más ligero era una estrella de neutrones o un agujero negro; es un misterio tentador. Descubrir cómo podría haberse formado un sistema así transformará nuestra comprensión de cómo viven y mueren las estrellas».

La profesora Sheila Rowan, directora de la IGR, dijo: «Este descubrimiento se realizó durante la tercera ejecución de observación (O3) de Advanced LIGO, después de que la colaboración trabajó en conjunto para realizar mejoras significativas en la sensibilidad de los detectores.

«Es posible que nos lo hayamos perdido por completo si no nos hubiéramos tomado ese tiempo para reflexionar y aprender de nuestros primeros éxitos». En cambio, durante O3 observamos un flujo constante de eventos candidatos casi a diario, lo que no solo nos permite hacer nuevos descubrimientos emocionantes como este, sino también construir nuestra base estadística de detecciones de ondas gravitacionales. Nuestra próxima actualización, Advanced LIGO Plus, promete traernos un volumen aún mayor de detecciones novedosas y avanzar aún más en el campo de la astronomía de ondas gravitacionales».

Cuando los científicos de LIGO y Virgo detectaron esta fusión, inmediatamente enviaron una alerta a la comunidad astronómica. Docenas de telescopios terrestres y espaciales siguieron en busca de ondas de luz generadas en el evento, pero ninguno recogió ninguna señal de confirmación.

Las observaciones futuras con LIGO, Virgo y posiblemente otros telescopios pueden detectar eventos similares que ayudarían a revelar si existen objetos adicionales en la brecha de masa.