El 29 mayo de 2023, uno de los detectores de la red LIGO para la observación de ondas gravitacionales, ubicado en Livingston (Luisiana), al sur de los Estados Unidos, observó una señal (GW230529) que llegaba desde 650 millones de años luz. Después de casi un año de análisis, los resultados, presentados el pasado viernes en la reunión mensual de la American Physical Society, suponen una especie de misterio cósmico: la masa de uno de los objetos cuya colisión generó esta onda gravitacional se encuentra en un intervalo muy poco explorado hasta el momento: es demasiado pesado para ser una estrella de neutrones y mucho más ligero que cualquier otro agujero negro observado anteriormente.
Por ahora, la colaboración LIGO-Virgo-Kagra (LVK), formada por casi 3.000 científicos de las tres redes de observatorios que participan en la detección de ondas gravitacionales, no ha podido revelar la naturaleza de este objeto. Sólo las futuras detecciones de eventos similares, especialmente los acompañados por ráfagas de radiación electromagnética podrían ayudar a resolver el misterio.
En este análisis ha participado un equipo de investigadores del Instituto Galego de Física de Altas Enerxías (IGFAE), centro mixto de la Universidade de Santiago de Compostela y la Xunta de Galicia. «Nuestro trabajo en el IGFAE ha mejorado los métodos de búsqueda utilizados por LVK para señales de fusiones binarias como GW230529, y nos entusiasma ver ya un resultado tan interesante. Siempre que se mejoran los detectores o los métodos de análisis, hay más posibilidades de que veamos algo nuevo y sorprendente», afirma el Dr. Thomas Dent, líder del programa de investigación de ondas gravitacionales en el IGFAE.
El intervalo de masas entre estrellas de neutrones y agujeros negros
Tanto las estrellas de neutrones como los agujeros negros son objetos extremadamente densos y compactos, procedentes del colapso y explosión de estrellas enormes. Ya desde antes de la primera observación directa de las ondas gravitacionales, que tuvo lugar en 2015, cada uno de estos objetos se detectaba de forma distinta: mientras que las masas de las estrellas de neutrones se determinaban mediante observaciones de radio, las masas de los agujeros negros se calculaban a través de datos de rayos X.
Hasta ahora, la mayor parte de estas mediciones se repartían en dos rangos distintos y, entre ellos, había una especie de brecha, de 2 a 5 veces la masa del Sol, de entre las estrellas de neutrones más pesadas y los agujeros negros más ligeros. Sin embargo, desde 2015, un pequeño número de mediciones ha ‘invadido’ este intervalo de masas, lo que ha generado un importante debate entre la comunidad astrofísica.
Ahora, el análisis de la señal GW230529 muestra que procede de la fusión de dos objetos compactos. Uno de ellos tiene una masa entre 1,2 y 2 veces la del Sol; y el otro, algo más del doble de masa. Aunque la señal de ondas gravitacionales no proporciona suficiente información para determinar con certeza si estos objetos compactos son estrellas de neutrones o agujeros negros, parece probable que el objeto más ligero sea una estrella de neutrones y el más pesado un agujero negro. Los científicos de la colaboración LVK confían en que el objeto más pesado se encuentre dentro de la brecha de masa.
Las observaciones de ondas gravitacionales han proporcionado hasta el momento casi 200 mediciones. Y alguna de ellas, como la señal GW190814, parece que también se encuentra en este territorio inexplorado: procede de la fusión de un agujero negro con un objeto compacto de masa superior a la de las estrellas de neutrones más pesadas conocidas y posiblemente dentro de la brecha de masa.
“Aunque ya se han encontrado indicios de la existencia de objetos con brecha de masa tanto en ondas gravitacionales como electromagnéticas, este sistema es especialmente interesante porque se trata de la primera detección en ondas gravitacionales producidas por la colisión de una estrella de neutrones con un objeto situado en ese intervalo de masas», explica la Dra. Sylvia Biscoveanu, de la Universidad Northwestern de los Estados Unidos. «La observación de este sistema también conlleva una mayor posibilidad de observar en el futuro la radiación electromagnética emitida por fusiones de estrellas de neutrones con agujeros negros», añade.
Cuarto ciclo de observación, con detectores más sensibles
Esta intrigante señal fue detectada en el cuarto ciclo de observación de la colaboración LVK, que arrancó el 24 de mayo de 2023. Esta nueva fase cuenta con mejoras en los detectores, la ciberinfraestructura y el software de análisis que les permiten observar señales más lejanas y extraer más información sobre los eventos extremos en los que se generan las ondas.
Los resultados iniciales llegaron tras sólo cinco días de observaciones. La detección de la señal para alertar a los astrónomos en tiempo real se consiguió gracias a la contribución de la estudiante predoctoral del IGFAE Verónica Villa-Ortega y de Gareth Cabourn Davies, anteriormente investigador posdoctoral en el IGFAE que ahora trabaja en la Universidad de Portsmouth (Reino Unido). La contribución del estudiante predoctoral del IGFAE Praveen Kumar también ayudó a confirmar la importancia de la señal en análisis posteriores fuera de línea.
Está previsto que el cuarto periodo de observación dure 20 meses, incluyendo una pausa de un par de meses para llevar a cabo el mantenimiento de los detectores y realizar una serie de mejoras. Hasta el 16 de enero de 2024, cuando comenzó esta la pausa, ya se habían identificado un total de 81 señales candidatas significativas. GW230529 es la primera de ellas que se publica tras una investigación detallada.
La cuarta ronda de observación se reanudará el 10 de abril de 2024 con los detectores LIGO Hanford (Washington) y LIGO Livingston (Luisiana), en Estados Unidos, y Virgo (en Pisa, Italia), operando juntos. Esta fase continuará hasta febrero de 2025.
Mientras continúa el periodo de observación, el equipo de LVK están analizando los datos de la primera mitad del periodo y comprobando las 80 señales candidatas significativas que ya han sido identificadas. Al final de la cuarta ronda de observación, en febrero de 2025, el número total de señales de ondas gravitacionales observadas desde el primer hallazgo, en 2015, superará ya las 200.
El IGFAE en LIGO
Después de la acreditación como Unidad de Excelencia María de Maeztu, en 2017, se identificó el elevado impacto potencial de la línea de investigación de ondas gravitacionales. La apuesta por esta disciplina hizo posible que el IGFAE se incorporase en octubre de 2018 a la colaboración LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory). Actualmente, el equipo de IGFAE en LIGO, liderado por Thomas Dent, está también compuesto por Juan Calderón (investigador Ramón y Cajal), y los estudiantes de doctorado Praveen Kumar, Ana Lorenzo y Verónica Villa.
La reciente renovación del sello María de Maeztu reforzará la apuesta por esta prometedora línea de investigación, que abrió una nueva era en 2015 con la primera detección directa de estas señales, 100 años después de que Albert Einstein predijera teóricamente su existencia.
Referencia: Observation of Gravitational Waves from the Coalescence of a 2.5–4.5 M⊙ Compact Object and a Neutron Star
