LIGO-Virgo encuentra un objeto misterioso en "Mass Gap" (la brecha de masa).
Cuando las estrellas más masivas mueren, colapsan bajo su propia gravedad y dejan agujeros negros; cuando las estrellas que son un poco menos masivas mueren, explotan en una supernova y dejan restos densos y muertos de estrellas llamadas estrellas de neutrones. Durante décadas, los astrónomos 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 tiene 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 permaneció: ¿hay algo en esta llamada brecha de masa?
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| Representación artística de un objeto misterioso en 'Mass Gap' encontrado por LIGO y Virgo. 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 de imagen: LIGO / Caltech / MIT / R. Daño (IPAC) |
Ahora, en un nuevo estudio del Observatorio de ondas gravitacionales con interferómetro láser de la Fundación Nacional de Ciencias (LIGO) y el detector Virgo en Europa, los científicos han anunciado el descubrimiento de un objeto de ,.6 masas solares, colocándolo firmemente en la brecha de masa. El objeto fue encontrado el 14 de agosto de 2019, ya que se fusionó con un agujero negro de 23 masas solares, generando una salpicadura de ondas gravitacionales detectadas en la Tierra por LIGO y Virgo. Un artículo sobre la detección ha sido aceptado para su publicación en The Astrophysical Journal Letters.
"Hemos estado esperando décadas para resolver este misterio", dice el coautor Vicky Kalogera, profesor 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 se rompe un récord".
"Esto va a cambiar la forma en que los científicos hablan sobre las estrellas de neutrones y los agujeros negros", dice el coautor Patrick Brady, profesor de la Universidad de Wisconsin, Milwaukee, y el portavoz de LIGO Scientific Collaboration. "De hecho, la brecha de masa puede no existir en absoluto, pero puede deberse a limitaciones en las capacidades de observación. El tiempo y más observaciones lo dirán".
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| Gráfico de masas de objetos detectados por LIGO, con GW190814 resaltado. Este gráfico muestra las masas para los agujeros negros detectados a través de observaciones electromagnéticas (púrpura), 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 se 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 de la imagen: LIGO-Virgo / Frank Elavsky y Aaron Geller (Noroeste). |
La fusión cósmica descrita en el estudio, un evento denominado GW190814, dio como resultado un agujero negro final de aproximadamente 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 en un factor de 9, lo que hace que esta sea la relación de masa más extrema conocida para un evento de onda gravitacional. Otro evento LIGO-Virgo recientemente reportado, 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 fusionados de objetos compactos con una relación de masa tan grande en la que el compañero de baja masa reside en la brecha de masa. Este descubrimiento implica que estos eventos ocurren mucho más a menudo de lo que predijimos, lo que hace que esto sea un objeto de baja masa realmente intrigante ", explica Kalogera. "El objeto misterioso puede ser una estrella de neutrones fusionándose con un agujero negro, una posibilidad emocionante esperada teóricamente pero aún no confirmada por observación. Sin embargo, a 2,6 veces la masa de nuestro sol, excede las predicciones modernas para la masa máxima de estrellas de neutrones, y puede ser el agujero negro más ligero que se haya detectado ".
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| Visualización de GW190814 Esta imagen es una imagen de una visualización de video de la fusión de dos agujeros negros que inspiral y se fusionan, emitiendo ondas gravitacionales. Un agujero negro es 9.2 veces más masivo que el otro y ambos objetos no giran. La alta relación de masa amplifica los sobretonos de ondas gravitacionales en la señal emitida. La señal de onda gravitacional producida es consistente con la observación realizada por los detectores de onda gravitacional LIGO y Virgo el 14 de agosto de 2019 (GW190814). Crédito: N. Fischer, S. Ossokine, H. Pfeiffer, A. Buonanno (Instituto Max Planck de Física Gravitacional), Simulando la colaboración eXtreme Spacetime (SXS). |
Cuando los científicos de LIGO y Virgo detectaron esta fusión, inmediatamente enviaron una alerta a la comunidad astronómica. Docenas 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 ondas gravitacionales se han visto solo una vez, en un evento llamado GW170817. El evento, descubierto por la red LIGO-Virgo en agosto de 2017, involucró 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 materia lanzada hacia afuera en todas las 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 los casos, no producen luz.
Según los científicos de LIGO y Virgo, el evento de agosto de 2019 no fue visto por telescopios basados en luz por algunas posibles razones. Primero, este evento estuvo seis veces más lejos que la fusión observada en 2017, lo que dificulta la captación de señales luminosas. En segundo lugar, si la colisión involucrara dos agujeros negros, probablemente no hubiera 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 haberlo tragado entero; una estrella de neutrones consumida entera por un agujero negro no emitiría ninguna luz.
"Pienso en Pac-Man comiendo un pequeño punto", dice Kalogera. "Cuando las masas son altamente asimétricas, la estrella de neutrones más pequeña se puede comer de una sola mordida".
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| Visualización de GW190814. Esta imagen es una imagen de una visualización de video de la fusión de dos agujeros negros que inspiral y se fusionan, emitiendo ondas gravitacionales. Un agujero negro es 9.2 veces más masivo que el otro y ambos objetos no giran. La alta relación de masa amplifica los sobretonos de ondas gravitacionales en la señal emitida. La señal de onda gravitacional producida es consistente con la observación realizada por los detectores de onda gravitacional LIGO y Virgo el 14 de agosto de 2019 (GW190814). Crédito: N. Fischer, S. Ossokine, H. Pfeiffer, A. Buonanno (Instituto Max Planck de Física Gravitacional), Simulando la colaboración eXtreme Spacetime (SXS). |
¿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 masa.
"Este es el primer vistazo de lo que podría ser una población completamente nueva de objetos binarios compactos", dice Charlie Hoy, miembro de la Colaboración Científica LIGO y estudiante de posgrado en la Universidad de Cardiff. "Lo que es realmente emocionante es que esto es solo el comienzo. A medida que los detectores se vuelvan 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 masa ha sido un acertijo interesante durante décadas, y ahora hemos detectado un objeto que cabe justo dentro de él", dice Pedro Marronetti, director del programa de física gravitacional de la National Science Foundation (NSF). "Eso no puede explicarse sin desafiar nuestra comprensión de la materia extremadamente densa o lo que sabemos sobre la evolución de las estrellas. Esta observación es otro ejemplo más del potencial transformador del campo de la astronomía de ondas gravitacionales, que saca a la luz nuevas ideas con cada nueva detección ".
Visualización de la fusión binaria del agujero negro GW190814.
Visualización de la fusión de dos agujeros negros que inspiral y se fusionan, emitiendo ondas gravitacionales. Un agujero negro es 9.2 veces más masivo que el otro y ambos objetos no giran. La alta relación de masa amplifica los armónicos de ondas gravitacionales en la señal emitida. La señal de onda gravitacional producida es consistente con la observación realizada por los detectores de onda gravitacional LIGO y Virgo el 14 de agosto de 2019 (GW190814).
Detalles sobre la visualización:
- La visualización muestra la señal de onda gravitacional y las trayectorias de los horizontes de los agujeros negros. Comienza unos 10 segundos antes de la fusión. En esta etapa, los agujeros negros tienen aproximadamente 160 órbitas restantes hasta que se fusionan, y la frecuencia de las ondas gravitacionales es de aproximadamente 20 hercios. Esta inspiración es más larga que cualquier simulación NR disponible con parámetros físicos consistentes con el evento. Por lo tanto, la visualización combina los resultados de un modelo efectivo de un cuerpo (el modelo de forma de onda SEOBNRv4HM) y la relatividad numérica. En particular:
- La deformación de la onda gravitacional se calcula con el modelo de forma de onda SEOBNR.
- Las trayectorias de los agujeros negros y las formas de sus horizontes: hasta 0,7 segundos para fusionarse, los datos de trayectoria se calculan con el modelo SEOBNR, y los horizontes se muestran como esferas coordinadas, con radios proporcionales a sus masas. Durante los últimos 0,7 segundos para la fusión, para la fusión en sí y para el ringdown, la visualización muestra trayectorias y horizontes aparentes de una simulación NR por la colaboración SXS de un sistema con la misma relación de masa (SXS: BBH: 1108).
- La radiación gravitacional se traduce a colores alrededor de los agujeros negros. Específicamente, los colores representan la parte real de la tensión de la onda gravitacional con su escala radial inversa eliminada para su visualización.
- El panel izquierdo (principal) siempre muestra el contenido completo de radiación, con colores que pasan del azul, que representa radiación débil, a naranja, que representa radiación fuerte.
- Cada uno de los cuatro paneles a la derecha muestra un componente separado (o sobretono) de la señal de onda gravitacional en un color diferente. De izquierda a derecha y de arriba a abajo, los paneles muestran el cuadrupolar (l = 2, m = + / - 2), octupolar (l = 3, m = + / - 3), hexadecupolar (l = 4, m = + / -4) y modos 32-polar (l = 5, m = + / - 5). Cada modo se escala en amplitud a su máximo respectivo. Los colores en estos cuatro paneles pasan de oscuro a brillante, representando radiación débil a fuerte de cada modo respectivo.
Crédito: N. Fischer, S. Ossokine, H. Pfeiffer, A. Buonanno (Instituto Max Planck de Física Gravitacional), Colaboración Simulación de Tiempos Espaciales Extremos (SXS)
Serie de seminarios web.
Para aquellos que desean una inmersión más profunda en estos resultados de LIGO-Virgo y otras investigaciones de la última carrera de observación, el equipo ha programado un seminario web destinado a una audiencia científica. Llamada la serie de seminarios web LIGO-Virgo-KAGRA, esta será la primera de una serie de seminarios web que analizan en profundidad los resultados de la red de ondas gravitacionales. El seminario web de Zoom de una hora será el 25 de junio a las 14:00 hora universal coordinada (7:00 am hora del Pacífico; 10:00 am hora del este; 16:00 hora del verano de Europa Central; 23:00 hora estándar de Japón).
Para registrarse, visite:
El seminario web de Zoom también se transmitirá en vivo y una grabación estará disponible a pedido.
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 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 550 miembros de 106 institutos en 12 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.
Relacionado:
Contactos de medios.
Caltech
Whitney Clavin
wclavin@caltech.edu
626-390-9601
MIT
Abigail Abazorius
abbya@mit.edu
617-253-2709
Virgo
Livia Conti
livia.conti@pd.infn.it
EGO
Vincenzo Napolano
napolano@ego-gw.it
+393472994985
NSF
Josh Chamot
jchamot@nsf.gov
703-292-4489
• Publicado en LIGO el 23 de junio del 2020, enlace publicación.
