La red LIGO-Virgo atrapa otra colisión de estrellas de neutrones.

GW190425.

Impresión artística de la fusión binaria de estrellas de neutrones observada por LIGO Livingston el 25 de abril de 2019. Crédito de la imagen: National Science Foundation / LIGO / Sonoma State University / A. Simonnet.

El 25 de abril de 2019, el Observatorio LIGO Livingston recogió lo que parecían ser ondas gravitacionales de una colisión de dos estrellas de neutrones. LIGO Livingston es parte de una red de ondas gravitacionales que incluye LIGO (el Observatorio de ondas gravitacionales del interferómetro láser), financiado por la National Science Foundation (NSF) y el detector europeo Virgo. Ahora, un nuevo estudio confirma que este evento fue probablemente el resultado de una fusión de dos estrellas de neutrones. Esta sería solo la segunda vez que este tipo de evento se observa en ondas gravitacionales.

La primera observación de este tipo, que tuvo lugar en agosto de 2017, hizo historia por ser la primera vez que se detectan ondas gravitacionales y luz del mismo evento cósmico. La fusión del 25 de abril, por el contrario, no resultó en la detección de luz. Sin embargo, a través de un análisis solo de los datos de ondas gravitacionales, los investigadores han aprendido que la colisión produjo un objeto con una masa inusualmente alta.

"A partir de las observaciones convencionales con luz, ya sabíamos de 17 sistemas binarios de estrellas de neutrones en nuestra propia galaxia y hemos estimado las masas de estas estrellas", dice Ben Farr, miembro del equipo LIGO con sede en la Universidad de Oregón. "Lo sorprendente es que la masa combinada de este binario es mucho más alta de lo que se esperaba".

"Hemos detectado un segundo evento consistente con un sistema binario de estrellas de neutrones y esta es una confirmación importante del evento de agosto de 2017 que marcó un nuevo comienzo emocionante para la astronomía de mensajería múltiple hace dos años", dice Jo van den Brand, portavoz de Virgo y profesor de la Universidad de Maastricht y Nikhef y VU University Amsterdam en los Países Bajos. La astronomía de múltiples mensajeros ocurre cuando se presencian diferentes tipos de señales simultáneamente, como las basadas en ondas gravitacionales y luz.

El estudio, presentado a The Astrophysical Journal Letters, está escrito por un equipo internacional compuesto por la Colaboración Científica LIGO y la Colaboración Virgo, la última de las cuales está asociada con el detector de ondas gravitacionales Virgo en Italia. Los resultados se presentaron en una conferencia de prensa hoy, 6 de enero, en la 235ª reunión de la Sociedad Astronómica Americana en Honolulu, Hawai.

Las estrellas de neutrones son los restos de estrellas moribundas que sufren explosiones catastróficas a medida que colapsan al final de sus vidas. Cuando dos estrellas de neutrones se juntan en espiral, se someten a una fusión violenta que envía estremecimientos gravitacionales a través de la estructura del espacio y el tiempo.

Simulación de la fusión de dos estrellas de neutrones GW190425.

Este vídeo muestra la simulación numérica de la relatividad de una fusión binaria de estrellas de neutrones compatible con la fuente de la señal GW190425, detectada por la red global de detectores de ondas gravitacionales LIGO-Virgo el 25 de abril de 2019. Las dos estrellas de neutrones tienen masas de 1.75 y 1.55 veces la masa solar, correspondiente a los valores medianos del análisis de la señal (anteriores de baja rotación), y están inicialmente en una separación orbital de 45 km. El video está hecho de dos partes, ambas muestran las últimas órbitas de las estrellas de neutrones, luego su colisión, seguido del colapso inmediato del remanente en un agujero negro. La primera visualización se centra en la dinámica de la materia estelar de neutrones en la región central del campo fuerte; la mayor densidad de masa (azul) está por encima de las densidades nucleares, las superficies blancas que aparecen más tarde se aproximan al horizonte del agujero negro. El recuadro inferior muestra la parte real del modo dominante de la onda gravitacional emitida a lo lejos. La segunda parte, alejada de la misma simulación, muestra la propagación de las ondas gravitacionales emitidas lejos de la fuente. La superficie codificada por colores muestra la curvatura (escalar de Weyl) en el plano orbital. Créditos: Colaboración CoRe. www.computational-relativity.org /Jena FSU.

LIGO se convirtió en el primer observatorio en detectar directamente ondas gravitacionales en 2015; en ese caso, las ondas fueron generadas por la feroz colisión de dos agujeros negros. Desde entonces, LIGO y Virgo han registrado docenas de fusiones de agujeros negros candidatos adicionales.

La fusión de estrellas de neutrones de agosto de 2017 fue presenciada por los detectores LIGO, uno en Livingston, Louisiana, y uno en Hanford, Washington, junto con una gran cantidad de telescopios basados ​​en la luz en todo el mundo (las colisiones de estrellas de neutrones producen luz, mientras que las colisiones de agujeros negros son generalmente se piensa que no lo haga). Esta fusión no era claramente visible en los datos de Virgo, pero ese hecho proporcionó información clave que finalmente identificó la ubicación del evento en el cielo.

El evento de abril de 2019 se identificó por primera vez en los datos del detector LIGO Livingston solo. El detector LIGO Hanford estaba temporalmente desconectado en ese momento y, a una distancia de más de 500 millones de años luz, el evento era demasiado débil para ser visible en los datos de Virgo. Utilizando los datos de Livingston, combinados con la información derivada de los datos de Virgo, el equipo redujo la ubicación del evento a un parche de cielo de más de 8.200 grados cuadrados, o alrededor del 20 por ciento del cielo. A modo de comparación, el evento de agosto de 2017 se redujo a una región de solo 16 grados cuadrados, o 0,04 por ciento del cielo.

"Este es nuestro primer evento publicado para la detección de un solo observatorio", dice Anamaria Effler de Caltech, una científica que trabaja en LIGO Livingston. "Pero Virgo hizo una valiosa contribución. Utilizamos información sobre su no detección para decirnos aproximadamente de dónde debe haberse originado la señal".

Los datos de LIGO revelan que la masa combinada de los cuerpos fusionados es aproximadamente 3,4 veces la masa de nuestro sol. En nuestra galaxia, los sistemas de estrellas de neutrones binarios conocidos han combinado masas de hasta 2,9 veces la del sol. Una posibilidad para la masa inusualmente alta es que la colisión tuvo lugar no entre dos estrellas de neutrones, sino una estrella de neutrones y un agujero negro, ya que los agujeros negros son más pesados ​​que las estrellas de neutrones. Pero si este fuera el caso, el agujero negro tendría que ser excepcionalmente pequeño para su clase. En cambio, los científicos creen que es mucho más probable que LIGO haya sido testigo de la destrucción de dos estrellas de neutrones.

"Lo que sabemos de los datos son las masas, y las masas individuales probablemente corresponden a las estrellas de neutrones. Sin embargo, como un sistema binario de estrellas de neutrones, la masa total es mucho más alta que cualquiera de los otros binarios de estrellas de neutrones galácticos conocidos", dice Surabhi Sachdev, miembro del equipo LIGO con sede en Penn State. "Y esto podría tener implicaciones interesantes sobre cómo se formó originalmente el par".

Simulación de la coalescencia de la estrella de neutrones GW190425.

Esta película muestra una simulación numérica que representa la fusión y fusión binaria de la estrella de neutrones que resultó en el evento de onda gravitacional detectado GW190425. Las dos estrellas de neutrones que se muestran aquí tienen propiedades consistentes con la detección realizada por los detectores Advanced LIGO / Virgo.

La película muestra la señal de onda gravitacional con colores que van del rojo, amarillo, verde, azul con fuerza creciente, y la densidad de las estrellas de neutrones del azul claro al azul oscuro oscila entre 200 mil y 600 millones de toneladas por centímetro cúbico, respectivamente.

Debido a la gran masa total de GW190425, las dos estrellas forman un agujero negro poco después de la fusión, a diferencia del primer sistema binario de estrellas de neutrones desde el que se detectaron ondas gravitacionales como GW170817. Además, la masa de la materia de eyección y la masa del disco de desechos es significativamente menor que para GW170817, lo que hace que la detección de una contraparte electromagnética sea muy improbable y podría explicar que ninguna observación de seguimiento electromagnético haya detectado con éxito un transitorio electromagnético.

También mostramos la tensión de la onda gravitacional en la parte inferior del video, indicando la evolución del tiempo.

Crédito: Simulación de Relatividad Numérica: T. Dietrich (Nikhef), Wolfgang Tichy (Florida Atlantic University) y la colaboración CoRe.
Visualización científica: T. Dietrich (Nikhef), S. Ossokine y A. Buonanno (Instituto Max Planck de Física Gravitacional)

Se cree que los pares de estrellas de neutrones se forman de dos formas posibles. Pueden formarse a partir de sistemas binarios de estrellas masivas que terminan sus vidas como estrellas de neutrones, o pueden surgir cuando dos estrellas de neutrones formadas por separado se unen en un entorno estelar denso. Los datos de LIGO para el evento del 25 de abril no indican cuál de estos escenarios es más probable, pero sí sugieren que se necesitan más datos y nuevos modelos para explicar la masa inesperadamente alta de la fusión.

Información adicional sobre los observatorios de ondas gravitacionales:

LIGO es financiado por NSF y operado por Caltech y MIT, que concibió a LIGO y dirigió el proyecto. El apoyo financiero para el proyecto Advanced LIGO fue liderado por la NSF con Alemania (Sociedad Max Planck), el Reino Unido (Consejo de Instalaciones de Ciencia y Tecnología) y Australia (Consejo de Investigación Australiano-OzGrav) haciendo importantes compromisos y contribuciones 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 Colaboración Virgo está compuesta actualmente por aproximadamente 520 miembros de 99 institutos en 11 países diferentes, incluidos Bélgica, Francia, Alemania, Hungría, Italia, los Países Bajos, Polonia y España. El Observatorio Gravitacional Europeo (EGO) alberga el detector Virgo cerca de Pisa en Italia, y está financiado por el Centro Nacional de Investigación Científica (CNRS) en Francia, el Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) en Italia y Nikhef en los Países Bajos. Puede encontrar una lista de los grupos de colaboración de Virgo en http://public.virgo-gw.eu/the-virgo-collaboration/. Hay más información disponible en el sitio web de Virgo en http://www.virgo-gw.eu.

Contactos de medios.

Whitney Clavin.

Caltech

Abigail Abazorius.

MIT
617-253-2709

Livia Conti.

Virgo

Josh Chamot.

NSF
703-292-4489

• Publicado en LIGO el 6 de enero del 2020, enlace publciación.

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