Virgo y LIGO, en el que participa el Instituto Galego de Física de Altas Enerxías (IGFAE), han anunciado el descubrimiento de un objeto compacto de aproximadamente 2,6 masas solares, situándolo en un intervalo entre la estrella de neutrones más masiva y el agujero negro más ligero jamás visto. Hace unos 800 millones de años, este objeto se fusionó con un agujero negro de 23 masas solares y, al hacerlo, emitió una intensa onda gravitacional. Dado que la observación aislada de esta onda, que se detectó en la Tierra en agosto de 2019, no nos permite distinguir si el objeto compacto es un agujero negro o una estrella de neutrones, su naturaleza exacta sigue siendo un misterio.
Durante mucho tiempo, la comunidad astronómica ha estado desconcertada por la falta de observaciones de objetos compactos con masas en el intervalo desde 2,5 hasta 5 masas solares. Esta misteriosa zona gris se conoce como el «hueco en la distribución de masas»: un intervalo de masas aparentemente demasiado pequeñas para un agujero negro y demasiado grandes para una estrella de neutrones. Tanto las estrellas de neutrones como los agujeros negros se forman cuando estrellas muy masivas agotan su combustible nuclear y explotan como supernovas. Lo que queda después de la explosión depende de la cantidad que permanece del núcleo de la estrella. Los núcleos menos masivos tienden a formar estrellas de neutrones, mientras que los más masivos colapsan en agujeros negros. Entender si existe un hueco en la distribución de masas en el intervalo mencionado y por qué, ha sido un enigma durante mucho tiempo para los científicos.
Ahora, las colaboraciones científicas que operan el detector Advanced Virgo en el Observatorio Gravitacional Europeo (EGO, por sus siglas en inglés), cerca de Pisa en Italia, y los dos detectores Advanced LIGO, en los Estados Unidos, han anunciado el descubrimiento de un objeto de alrededor de 2,6 masas solares, es decir, dentro del llamado «hueco en la distribución de masas», cuestionando así su propia existencia. La naturaleza del objeto en sí mismo sigue siendo un misterio, ya que esta observación de ondas gravitacionales por sí sola no nos permite distinguir si se trata de un agujero negro o una estrella de neutrones. Hace unos 800 millones de años, el objeto se fusionó con un agujero negro de 23 masas solares y, al hacerlo, generó un agujero negro final de unas 25 veces la masa del Sol. La fusión emitió una intensa onda gravitacional que los tres instrumentos de la red detectaron el 14 de agosto de 2019, y por tanto se ha etiquetado como GW190814. El descubrimiento acaba de publicarse en The Astrophysical Journal Letters.
Leyenda para tabla de masas: Este gráfico muestra las masas para los agujeros negros detectados a través de observaciones electromagnéticas (morado), los agujeros negros medidos mediante observaciones de ondas gravitacionales (azul), las estrellas de neutrones medidas con observaciones electromagnéticas (amarillo) y las estrellas de neutrones detectadas a través de ondas gravitacionales (naranja). GW190814 está resalta en el centro del gráfico como la fusión de un agujero negro y un objeto misterioso alrededor de 2,6 veces la masa del Sol. Crédito: LIGO-Virgo/ Frank Elavsky & Aaron Geller (Northwestern).
Otra peculiaridad de este evento es que la fusión muestra la proporción más inusual entre masas de un sistema binario registrado hasta la fecha. El objeto mayor es aproximadamente 9 veces más masivo que el objeto menor.
La señal asociada a una fusión tan inusual fue claramente detectada por los tres instrumentos de la red LIGO-Virgo, con una relación global señal-ruido de 25. Gracias principalmente al retraso entre los tiempos de llegada de la señal en los detectores, es decir, los dos Advanced LIGO en los EE.UU. y Advanced Virgo en Italia, la red de 3 detectores fue capaz de localizar la posición en el cielo de la fuente que generó la onda en una región de unos 19 grados cuadrados.
Cuando LIGO y Virgo detectaron esta fusión, inmediatamente enviaron una alerta a la comunidad astronómica. Muchos telescopios terrestres y espaciales hicieron un seguimiento en busca de luz y otras ondas electromagnéticas, pero, a diferencia de la famosa fusión de dos estrellas de neutrones (GW170817), detectada en agosto de 2017 y que dio lugar a la llamada astronomía multimensajero, en este caso no se recogió ninguna señal.
Según los científicos de Virgo y LIGO, el evento de agosto de 2019 no fue visto en el espectro electromagnético por varias razones probables. En primer lugar, este evento estaba seis veces más lejos que GW170817, lo que dificulta la detección de cualquier señal electromagnética. En segundo lugar, si la colisión involucró dos agujeros negros, probablemente no hubo ninguna emisión en el espectro electromagnético. En tercer lugar, si el objeto más pequeño del sistema fue de hecho una estrella de neutrones, su compañero agujero negro 9 veces más masivo podría habérsela tragado entera; una estrella de neutrones engullida completamente por un agujero negro no produciría ninguna emisión electromagnética.
Thomas Dent, coordinador del programa de ondas gravitacionales del IGFAE. Crédito: IGFAE
“El suceso GW190814 — señala Thomas Dent, coordinador del programa de ondas gravitacionales en el IGFAE— 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”.
Además de poner a prueba nuestro entendimiento de la evolución estelar y de la producción de estrellas de neutrones y agujeros negros en el hueco de masas, la razón peculiar entre las masas del sistema binario y el hecho de ser el suceso de ondas gravitacionales mejor localizado en el cielo hasta la fecha sin contrapartida electromagnética, ha permitido llevar a cabo nuevos tests de la teoría de la gravedad y una nueva medida de la constante de Hubble, compatible con aquella obtenida mediante el suceso GW170817.
Observaciones futuras con Virgo, LIGO y posiblemente otros telescopios podrán detectar eventos similares y ayudarnos a responder a las numerosas preguntas que ha planteado la detección de GW190814, cuya identidad sigue siendo un misterio.
Software para buscar ondas gravitacionales desde el IGFAE
El programa de investigación de ondas gravitacionales del IGFAE, centro mixto de la Universidad 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 y tiene una gran experiencia en los métodos de análisis para detectar señales de ondas gravitacionales 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 ahora 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 O3 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 O3. Además han sido coautores junto con las colaboraciones LIGO y Virgo de trabajos en los que se han establecido 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.
Participación española en la astronomía de ondas gravitacionales
Cinco grupos en España están contribuyendo a la astronomía de ondas gravitacionales de LIGO-Virgo, en áreas que van desde el modelado teórico de las fuentes astrofísicas hasta la mejora de la sensibilidad del detector para los períodos de observación actuales y futuros. Además del IGFAE, un grupo en la Universitat de les Illes Balears (UIB) forma 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) y el IFAE de Barcelona son miembros de Virgo.
Información adicional sobre los observatorios de ondas gravitacionales
La Colaboración Virgo está compuesta actualmente por aproximadamente 550 miembros de 106 instituciones en 12 países diferentes, incluyendo Bélgica, Francia, Alemania, Hungría, Irlanda, Italia, Países Bajos, Polonia, Portugal y España. El Observatorio Gravitacional Europeo (EGO) alberga el detector Virgo cerca de Pisa, Italia, y está financiado por el Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) en Francia, el Instituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) en Italia, y Nikhef en los Países Bajos. Una lista de los grupos de la Colaboración Virgo se encuentra en http://public.virgo-gw.eu/the-virgo-collaboration/. Más información disponible en el sitio web de Virgo en http://www.virgo-gw.eu.
LIGO está financiado por la NSF y operado por Caltech y MIT, que concibió LIGO y lideró el proyecto. El apoyo financiero para el proyecto Advanced LIGO fue liderado por la NSF, con Alemania (Max Planck Society), el Reino Unido (Consejo de Instalaciones Científicas y Tecnológicas) y Australia (Consejo Australiano de Investigación-OzGrav) haciendo compromisos y contribuciones significativas al proyecto. Aproximadamente 1.300 científicos de todo el mundo participan en el esfuerzo a través de la Colaboración Científica LIGO, que incluye la Colaboración GEO. Una lista de socios adicionales está disponible en https://my.ligo.org/census.php.
La contribución española está financiada por la Agencia Estatal de Investigación, Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades, a través de los programas AYA y FPN, programas de Excelencia Severo Ochoa y María de Maeztu, programas de financiación de la Unión Europea, Fondos FEDER, fondo social Europeo, Vicepresidència i Conselleria d’Innovació, Recerca i Turisme, Conselleria d’Educació, i Universitats del Govern de les Illes Balears, Conselleria d’Innovació, Universitats, Ciència i Societat Digital de la Generalitat Valenciana, programa CERCA de la Generalitat de Catalunya, y tienen el apoyo de la Red Española de Supercomputación (RES).
Leyenda de la ilustración principal: en agosto de 2019, la red de ondas gravitacionales LIGO-Virgo fue testigo de la fusión de un agujero negro con 23 veces la masa de nuestro Sol y un objeto misterioso 2,6 veces la masa del Sol. Los científicos no saben si el objeto misterioso era una estrella de neutrones o un agujero negro, pero de cualquier manera estableció un récord como la estrella de neutrones más pesada conocida o el agujero negro más ligero conocido. Crédito: LIGO/Caltech/MIT/R. Hurt (IPAC).
Interpretación artística de GW190814 , en el cual un objeto compacto más pequeño es tragado por un agujero negro 9 veces más masivo . El chorro de materia entre los dos objetos y la apariencia del agujero negro masivo es una invención artística. La fusión de GW190814 no parece haber emitido luz. Crédito: Alex Andrix.
Esta actividad se cofinancia con cargo al Programa Operativo FEDER Galicia 2014-2020.
