LIGO-Virgo fue testigo de la fusión de un agujero negro con 23 veces la masa de nuestro sol

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. CREDIT LIGO/Caltech/MIT/R. Hurt (IPAC)

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

Durante décadas, los astrónomos se 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 es más de 2,5 veces la masa de nuestro sol, o 2,5 masas solares, y el agujero negro más ligero conocido es de aproximadamente 5 masas solares. La pregunta seguía siendo: ¿hay algo en esta supuesta brecha de masas?

Ahora, en un nuevo estudio del Observatorio de Gravitacional-Onda láser (LIGO) de la National Science Foundation y del detector Virgo en Europa, los científicos han anunciado el descubrimiento de un objeto de 2,6 masas solares, colocándolo firmemente en la brecha de masas. El objeto fue encontrado el 14 de agosto de 2019, cuando se fusionó con un agujero negro de 23 masas solares, generando un chapoteo de ondas gravitacionales detectadas en la Tierra por LIGO y Virgo. Un artículo sobre la detección se publica hoy, 23 de junio, en The Astrophysical Journal Letters.

"Hemos estado esperando décadas para resolver este misterio", dice la coautora Vicky Kalogera, profesora de la Universidad Northwestern. "No sabemos si este objeto es la estrella de neutrones más pesada conocida, o el agujero negro más ligero conocido, pero de cualquier manera rompe un récord".

"Esto va a cambiar la forma en que los científicos hablan de estrellas de neutrones y agujeros negros", dice el coautor Patrick Brady, profesor de la Universidad de Wisconsin, Milwaukee, y portavoz de LIGO Scientific Collaboration. "La brecha de masas puede no existir en absoluto, pero puede haber sido debido a limitaciones en las capacidades observacionales. El tiempo y más observaciones dirán.

La fusión cósmica descrita en el estudio, un evento apodado GW190814, resultó en un agujero negro final alrededor de 25 veces la masa del sol (parte de la masa fusionada se convirtió en una explosión de energía en forma de ondas gravitacionales). El agujero negro recién formado se encuentra a unos 800 millones de años luz de la Tierra.

Antes de que los dos objetos se fusionaran, sus masas diferían por un factor de 9, haciendo que esta proporción de masa más extrema fuera conocida por un evento de onda gravitacional. Otro evento de LIGO-Virgo reportado recientemente, llamado GW190412, ocurrió entre dos agujeros negros con una relación de masa de aproximadamente 4:1.

"Es un desafío para los modelos teóricos actuales formar pares de fusión de objetos compactos con una relación de masa tan grande en la que el socio de baja masa reside en la brecha de masas. Este descubrimiento implica que estos eventos ocurren mucho más a menudo de lo que predijimos, lo que hace que este sea un objeto realmente intrigante de baja masa", explica Kalogera. "El objeto misterioso puede ser una estrella de neutrones que se fusiona con un agujero negro, una posibilidad emocionante que se espera teóricamente pero aún no se ha confirmado observacionalmente. Sin embargo, a 2,6 veces la masa de nuestro sol, supera las predicciones modernas para la masa máxima de estrellas de neutrones, y en su lugar puede ser el agujero negro más ligero jamás detectado".

Cuando los científicos de LIGO y Virgo detectaron esta fusión, inmediatamente enviaron una alerta a la comunidad astronómica. Decenas de telescopios terrestres y espaciales siguieron en busca de ondas de luz generadas en el evento, pero ninguno recogió ninguna señal. Hasta ahora, tales contrapartes de luz a las señales de onda gravitacional sólo se han visto una vez, en un evento llamado GW170817. Ese evento, descubierto por la red LIGO-Virgo en agosto de 2017, implicó una colisión ardiente entre dos estrellas de neutrones que posteriormente fue presenciada por docenas de telescopios en la Tierra y en el espacio. Las colisiones de estrellas de neutrones son asuntos desordenados con la materia arrojada hacia afuera en todas direcciones y, por lo tanto, se espera que brillen con luz. Por el contrario, se cree que las fusiones de agujeros negros, en la mayoría de las circunstancias, no producen luz.

Según los científicos de LIGO y Virgo, el evento de agosto de 2019 no fue visto por telescopios basados en la luz por algunas razones posibles. En primer lugar, este evento estaba seis veces más lejos que la fusión observada en 2017, lo que dificultaba la captación de cualquier señal de luz. En segundo lugar, si la colisión implicaba dos agujeros negros, probablemente no habría brillado con ninguna luz. En tercer lugar, si el objeto era de hecho una estrella de neutrones, su compañero de agujero negro 9 veces más masivo podría haberse tragado entero; una estrella de neutrones consumida entera por un agujero negro no daría luz.

¿Cómo sabrán los investigadores si el objeto misterioso era una estrella de neutrones o un agujero negro? 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 masas.

"Este es el primer atisbo de lo que podría ser una nueva población de objetos binarios compactos", dice Charlie Hoy, miembro de la Colaboración Científica LIGO y estudiante graduado de la Universidad de Cardiff. "Lo que es realmente emocionante es que esto es sólo el comienzo. A medida que los detectores se vuelven cada vez más sensibles, observaremos aún más de estas señales, y podremos identificar las poblaciones de estrellas de neutrones y agujeros negros en el universo".

"La brecha de masas ha sido un rompecabezas interesante durante décadas, y ahora hemos detectado un objeto que encaja justo dentro de él", dice Pedro Marronetti, director del programa de física gravitacional de la Fundación Nacional de Ciencias (NSF). "Eso no se puede explicar sin desafiar nuestra comprensión de la materia extremadamente densa o lo que sabemos acerca de la evolución de las estrellas. Esta observación es un ejemplo más del potencial transformador del campo de la astronomía de ondas gravitacionales, que aporta información novedosa con cada nueva detección".

-SpaceRef