GW190412: La fusión de dos agujeros negros con diferentes masas

Simulación de una fusión de agujeros negros con masas asimétricas y precesión orbital, consistente con GW190412. Una imagen fija de una simulación numérica de una fusión binaria de agujero negro con masas asimétricas y precesión orbital. Crédito: N. Fischer, H. Pfeiffer, A. Buonanno (Instituto Max Planck de Física Gravitacional), Simulación de la colaboración eXtreme Spacetime (SXS)

El tercer período de observación (O3) de LIGO-Virgo está ofreciendo nuevos hallazgos sobre la fase correspondiente a las últimas órbitas en espiral y posterior fusión de los sistemas binarios de agujeros negros (BBH, del inglés 'binary black hole'). La primera señal de onda gravitacional, catalogada como GW150914 y detectada en 2015, se originó a partir de la fusión de un BBH, y desde entonces en este tipo de señales han resultado ser las más predominantes. Esto nos permite avanzar en la caracterización de la población de sistemas BBH astrofísicos. Sin embargo, los sistemas observados hasta la fecha estaban formados por agujeros negros de masas casi iguales. Este balance se rompió con la observación de una fusión de un sistema BBH muy especial el 12 de abril de 2019 a las 05:30:44 UTC, justo un par de semanas después del comienzo de O3, el 1 de abril.

Distancia inferida de la fuente GW191412 en relación con el ángulo de inclinación del plano de la órbita del sistema binario con respecto a la visual. En general estas dos cantidades están altamente correlacionadas pero la diferencia en las masas de los agujeros negros del sistema binario nos permite distinguirlas parcialmente. La distancia más probable a la fuente es de 700 Mpc, Mega parsec, unos 2.300 millones de años luz.

La señal, catalogada como GW190412, fue observada por el detector Advanced Virgo y los dos detectores Advanced LIGO, y fue generada en la fusión de un sistema BBH con masas desiguales, siendo una componente más de 3 veces más masiva que la otra. De manera más detallada, los agujeros negros fusionados tenían alrededor de 30 y 8 masas solares respectivamente. La diferencia entre las masas produce modulaciones específicas en la señal predichas teóricamente, pero que han sido observadas ahora por primera vez. De hecho, el desequilibrio entre las masas produce una intensidad inusualmente alta de la radiación gravitatoria en los llamados "modos de alto orden", que son reconocibles en GW190412 y proporcionan otra confirmación más de la validez de la teoría de la Relatividad General de Einstein. GW190412 también depende de otros parámetros del sistema binario y estas modulaciones nos permiten acotar el valor del ángulo de inclinación del plano de la órbita con respecto a la visual, y la distancia a la fuente, dos cantidades que están en caso contrario altamente correlacionadas.

"Los detectores Virgo y LIGO se están volviendo más y más sensibles, el ritmo de detecciones aumenta y esperamos nuevas señales insólitas. GW190412 es excepcional e interesante, debido a la gran diferencia entre las masas de los dos agujeros negros que se fusionan. Estamos aprendiendo que sistemas de este tipo existen y cuán raros son. Esto nos permitirá deducir cómo se formaron, que es algo que encuentro emocionante", comenta Giancarlo Cella, investigador en el Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) y Coordinador del grupo de Análisis de Datos de Virgo.

Simulación de una fusión de agujeros negros con masas asimétricas y precesión orbital, consistente con GW190412. Una imagen fija de una simulación numérica de una fusión binaria de agujero negro con masas asimétricas y precesión orbital. Crédito: N. Fischer, H. Pfeiffer, A. Buonanno (Instituto Max Planck de Física Gravitacional), Simulación de la colaboración eXtreme Spacetime (SXS)

"La diferencia de masas de esta fuente ocasionó que los armónicos de la señal principal fueran visibles por primera vez. Tuvimos una nueva y apasionante oportunidad para poner a prueba una importante predicción de la teoría de Einstein relacionada con la colisión de agujeros negros de diferentes tamaños", añade Anuradha Samajdar, miembro postdoctoral en el Instituto Holandés de Física Subatómica (Dutch National Institute for Subatomic Physics, Nikhef), y miembro de la Colaboración Virgo.

Crédito de la imagen: LIGO Scientific Collaboration/Virgo Collaboration.

Simulación numérica de una fusión binaria de agujero negro con masas asimétricas y precesión orbital (GW190412).

Simulación numérica de dos agujeros negros que inspiral y se fusionan, emitiendo ondas gravitacionales. Un agujero negro es 3.5 veces más masivo que el otro y gira, lo que hace que la órbita preceda. La señal de onda gravitacional simulada es consistente con la observación realizada por los detectores de onda gravitacional LIGO y Virgo el 12 de abril de 2019 (GW190412).

Detalles sobre la visualización:

* El "horizonte aparente" de los agujeros negros en la simulación se muestra en negro. A las 1:09 la simulación encuentra un horizonte aparente envolvente que indica que los dos agujeros negros se han fusionado.

* La radiación gravitacional se traduce en colores alrededor de los agujeros negros. Los colores pasan del azul, que representa radiación débil, al rojo, que representa radiación fuerte. Específicamente, la coloración representa la parte real de la tensión de la onda gravitacional con su escala radial inversa eliminada para su visualización. La deformación se calcula a partir de la forma de onda extrapolada de la simulación, que se muestra en la parte inferior de la pantalla.

Créditos: © N. Fischer, H. Pfeiffer, A. Buonanno (Instituto Max Planck de Física Gravitacional), proyecto Simulación de tiempos espaciales extremos.

Más información:

• GW190412: Observation of a Binary-Black-Hole Coalescence with Asymmetric Masses
• Artículo en español, PDF.
• Artículo en LIGO.

• Publicado en VIRGO el 20 de abril del 2020, enlace publicación.