Un "bang" en los detectores LIGO y Virgo señala la fuente de ondas gravitacionales más masiva hasta el momento.
Una fusión binaria de agujeros negros probablemente produjo ondas gravitacionales iguales a la energía de ocho soles.
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| Una imagen fija de una simulación numérica de dos agujeros negros que se inspiran y se fusionan, emitiendo ondas gravitacionales. Los agujeros negros tienen masas grandes y casi iguales, con uno solo un 3% más masivo que el otro. La señal de onda gravitacional simulada es consistente con la observación GW190521 hecha por LIGO y Virgo. (Crédito: N. Fischer, H. Pfeiffer, A. Buonanno (Instituto Max Planck de Física Gravitacional), Simulación de la colaboración eXtreme Spacetimes (SXS)) |
A pesar de su vasto vacío, el universo vibra con actividad en forma de ondas gravitacionales. Producidas por fenómenos astrofísicos extremos, estas reverberaciones ondulan y sacuden el tejido del espacio-tiempo, como el sonido metálico de una campana cósmica.
Ahora, los investigadores han detectado una señal de lo que puede ser la fusión de agujeros negros más masiva hasta ahora observada en ondas gravitacionales. El producto de la fusión es la primera detección clara de un agujero negro de "masa intermedia", con una masa entre 100 y 1.000 veces la del sol.
Detectaron la señal, que han etiquetado como GW190521, el 21 de mayo de 2019, con el Observatorio de ondas gravitacionales del interferómetro láser (LIGO) de la National Science Foundation, un par de interferómetros idénticos de 4 kilómetros de largo en los Estados Unidos; y Virgo, un detector de 3 kilómetros de longitud en Italia.
La señal, que se asemeja a unos cuatro movimientos cortos, es de duración extremadamente breve, menos de una décima de segundo. Por lo que pueden decir los investigadores, GW190521 fue generado por una fuente que se encuentra aproximadamente a 5 gigaparsecs de distancia, cuando el universo tenía aproximadamente la mitad de su edad, lo que lo convierte en una de las fuentes de ondas gravitacionales más distantes detectadas hasta ahora.
En cuanto a lo que produjo esta señal, basada en un poderoso conjunto de herramientas computacionales y de modelado de última generación, los científicos creen que GW190521 probablemente fue generado por una fusión de agujeros negros binarios con propiedades inusuales.
Casi todas las señales de ondas gravitacionales confirmadas hasta la fecha provienen de una fusión binaria, ya sea entre dos agujeros negros o dos estrellas de neutrones. Esta fusión más reciente parece ser la más masiva hasta el momento, involucrando dos agujeros negros inspiradores con masas de 85 y 66 veces la masa del sol.
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| Cementerio estelar, con GW190521 resaltado. Este gráfico muestra las masas de agujeros negros detectados mediante observaciones electromagnéticas (violeta), agujeros negros medidos mediante observaciones de ondas gravitacionales (azul), estrellas de neutrones medidas con observaciones electromagnéticas (amarillo) y estrellas de neutrones detectadas mediante ondas gravitacionales (naranja). GW190521 se destaca en el medio del gráfico como la fusión de dos agujeros negros que produjeron un remanente que es el agujero negro más masivo observado hasta ahora en ondas gravitacionales. Crédito de la imagen: LIGO-Virgo / Northwestern U. / Frank Elavsky & Aaron Geller. |
El equipo de LIGO-Virgo también midió el giro de cada agujero negro y descubrió que a medida que los agujeros negros giraban cada vez más cerca, podrían haber estado girando sobre sus propios ejes, en ángulos que no estaban alineados con el eje de su órbita. Los giros desalineados de los agujeros negros probablemente causaron que sus órbitas se tambalearan o "precesasen" mientras los dos Goliats giraban en espiral uno hacia el otro.
La nueva señal probablemente representa el instante en que los dos agujeros negros se fusionaron. La fusión creó un agujero negro aún más masivo, de unas 142 masas solares, y liberó una enorme cantidad de energía, equivalente a alrededor de 8 masas solares, esparcida por el universo en forma de ondas gravitacionales.
"Esto no se parece mucho a un chirrido, que es lo que normalmente detectamos", dice el miembro de Virgo Nelson Christensen, investigador del Centro Nacional Francés de Investigación Científica (CNRS), comparando la señal con la primera detección de ondas gravitacionales de LIGO en 2015. "Esto es más como algo que hace 'bang', y es la señal más masiva que LIGO y Virgo han visto".
El equipo internacional de científicos, que conforman la Colaboración Científica LIGO (LSC) y la Colaboración Virgo, ha informado de sus hallazgos en dos artículos publicados hoy. Uno, que aparece en Physical Review Letters, detalla el descubrimiento, y el otro, en The Astrophysical Journal Letters, analiza las propiedades físicas de la señal y las implicaciones astrofísicas.
“LIGO una vez más nos sorprende no solo con la detección de agujeros negros en tamaños difíciles de explicar, sino hacerlo utilizando técnicas que no fueron diseñadas específicamente para fusiones estelares”, dice Pedro Marronetti, director del programa de física gravitacional de National Science Fundación. “Esto es de tremenda importancia ya que muestra la capacidad del instrumento para detectar señales de eventos astrofísicos completamente imprevistos. LIGO demuestra que también puede observar lo inesperado".
Simulación numérica de la fusión de dos agujeros negros GW190521.
- El "horizonte aparente" de los agujeros negros en la simulación se muestra en negro. A las 0:10, 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 una radiación débil, al rojo, que representa una radiación fuerte. Específicamente, la coloración representa la parte real de la tensión de la onda gravitacional. 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.
- Solo la relación de masa de los dos agujeros negros es relevante para la simulación numérica, no su masa total. La gran masa total inferida para los agujeros negros que produjeron la señal GW190521 solo afecta la conversión de tiempo de simulación a tiempo real que se muestra en la parte inferior de la pantalla. La película muestra aproximadamente la mitad de la duración inspiral observada informada para la detección GW190521.
En la brecha de masas.
Las masas excepcionalmente grandes de los dos inspiradores agujeros negros, así como el agujero negro final, plantean una gran cantidad de preguntas sobre su formación.
Todos los agujeros negros observados hasta la fecha encajan en una de dos categorías: agujeros negros de masa estelar, que miden desde unas pocas masas solares hasta decenas de masas solares y se cree que se forman cuando mueren las estrellas masivas; o agujeros negros supermasivos, como el del centro de la Vía Láctea, que va desde cientos de miles hasta miles de millones de veces el de nuestro sol.
Sin embargo, el último agujero negro de 142 masas solares producido por la fusión GW190521 se encuentra dentro de un rango de masa intermedio entre los agujeros negros de masa estelar y supermasivos, el primero de su tipo jamás detectado.
Los dos agujeros negros progenitores que produjeron el agujero negro final también parecen ser únicos en su tamaño. Son tan masivos que los científicos sospechan que uno o ambos pueden no haberse formado a partir de una estrella que colapsa, como ocurre con la mayoría de los agujeros negros de masa estelar.
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| Cementerio estelar, con GW190521 resaltado. Este gráfico muestra las masas de agujeros negros detectados mediante observaciones electromagnéticas (violeta), agujeros negros medidos mediante observaciones de ondas gravitacionales (azul), estrellas de neutrones medidas con observaciones electromagnéticas (amarillo) y estrellas de neutrones detectadas mediante ondas gravitacionales (naranja). GW190521 se destaca en el medio del gráfico como la fusión de dos agujeros negros que produjeron un remanente que es el agujero negro más masivo observado hasta ahora en ondas gravitacionales. Crédito de la imagen: LIGO-Virgo / Northwestern U. / Frank Elavsky & Aaron Geller. |
De acuerdo con la física de la evolución estelar, la presión hacia afuera de los fotones y el gas en el núcleo de una estrella la sostiene contra la fuerza de gravedad que empuja hacia adentro, de modo que la estrella es estable, como el sol. Después de que el núcleo de una estrella masiva fusiona núcleos tan pesados como el hierro, ya no puede producir suficiente presión para soportar las capas externas. Cuando esta presión hacia afuera es menor que la gravedad, la estrella colapsa por su propio peso, en una explosión llamada supernova de colapso del núcleo, que puede dejar un agujero negro.
Este proceso puede explicar cómo estrellas tan masivas como 130 masas solares pueden producir agujeros negros de hasta 65 masas solares. Pero para las estrellas más pesadas, se cree que se produce un fenómeno conocido como "inestabilidad de pares". Cuando los fotones del núcleo se vuelven extremadamente energéticos, pueden transformarse en un par de electrones y antielectrones. Estos pares generan menos presión que los fotones, lo que hace que la estrella se vuelva inestable frente al colapso gravitacional, y la explosión resultante es lo suficientemente fuerte como para no dejar nada atrás. Incluso estrellas más masivas, por encima de 200 masas solares, eventualmente colapsarían directamente en un agujero negro de al menos 120 masas solares. Una estrella en colapso, entonces, no debería poder producir un agujero negro entre aproximadamente 65 y 120 masas solares, un rango que se conoce como la "brecha de masa de inestabilidad de pares".
Pero ahora, el más pesado de los dos agujeros negros que produjeron la señal GW190521, a 85 masas solares, es el primero detectado hasta ahora dentro de la brecha de masa de inestabilidad del par.
"El hecho de que estemos viendo un agujero negro en esta brecha masiva hará que muchos astrofísicos se rasquen la cabeza y traten de averiguar cómo se hicieron estos agujeros negros", dice Christensen, quien es el director del Laboratorio Artemis en el Bonito Observatorio en Francia.
Una posibilidad, que los investigadores consideran en su segundo artículo, es una fusión jerárquica, en la que los dos agujeros negros progenitores mismos pueden haberse formado a partir de la fusión de dos agujeros negros más pequeños, antes de migrar juntos y finalmente fusionarse.
“Este evento abre más preguntas que respuestas”, dice Alan Weinstein, miembro de LIGO y profesor de física en Caltech. "Desde la perspectiva del descubrimiento y la física, es algo muy emocionante".
Vídeo simulación de la fusión de un sistema binario de agujeros negros.
"Algo inesperado".
Quedan muchas preguntas pendientes con respecto a GW190521.
A medida que los detectores LIGO y Virgo escuchan las ondas gravitacionales que atraviesan la Tierra, las búsquedas automáticas peinan los datos entrantes en busca de señales interesantes. Estas búsquedas pueden utilizar dos métodos diferentes: algoritmos que seleccionan patrones de ondas específicos en los datos que pueden haber sido producidos por sistemas binarios compactos; y búsquedas "ráfagas" más generales, que esencialmente buscan cualquier cosa fuera de lo común.
El miembro de LIGO, Salvatore Vitale, profesor asistente de física en el MIT, compara las búsquedas binarias compactas con "pasar un peine a través de los datos, que capturarán las cosas en un espacio determinado", en contraste con las búsquedas de ráfagas que son más un enfoque de "captura todo".
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| La fusión más fuerte vista hasta ahora. LIGO y Virgo han observado su mayor fusión de agujeros negros hasta la fecha, un evento llamado GW190521, en el que se produjo un agujero negro final de 142 masas solares. Este gráfico compara el evento con otros presenciados por LIGO y Virgo e indica que el remanente de la fusión GW190521 cae en una categoría conocida como agujero negro de masa intermedia, y es la primera detección clara de un agujero negro de este tipo. Los agujeros negros de masa intermedia, que previamente se habían predicho teóricamente, tendrían masas entre las de los agujeros negros de masa estelar y los supermasivos en los corazones de las galaxias. Crédito de la imagen: LIGO / Caltech / MIT / R. Herido (IPAC) |
En el caso de GW190521, fue una búsqueda de ráfagas que recogió la señal un poco más claramente, abriendo la posibilidad muy pequeña de que las ondas gravitacionales surgieran de algo más que una fusión binaria.
"El listón para afirmar que hemos descubierto algo nuevo es muy alto", dice Weinstein. "Por lo que normalmente aplicamos la navaja de Occam: la solución más simple es la mejor, que en este caso es un agujero negro binario".
Pero, ¿y si algo completamente nuevo produjera estas ondas gravitacionales? Es una perspectiva tentadora, y en su artículo los científicos consideran brevemente otras fuentes en el universo que podrían haber producido la señal que detectaron. Por ejemplo, quizás las ondas gravitacionales fueron emitidas por una estrella en colapso en nuestra galaxia. La señal también podría provenir de una cadena cósmica producida justo después de que el universo se inflara en sus primeros momentos, aunque ninguna de estas exóticas posibilidades coincide con los datos, así como con una fusión binaria.
“Desde que encendimos LIGO por primera vez, todo lo que hemos observado con confianza ha sido una colisión de agujeros negros o estrellas de neutrones”, dice Weinstein. “Este es el único evento en el que nuestro análisis permite la posibilidad de que este evento no sea tal colisión. Aunque este evento es consistente con ser de una fusión de agujeros negros binarios excepcionalmente masiva, y las explicaciones alternativas están desfavorecidas, está empujando los límites de nuestra confianza. Y eso potencialmente lo hace extremadamente emocionante. Porque todos esperábamos algo nuevo, algo inesperado, que pudiera desafiar lo que ya hemos aprendido. Este evento tiene el potencial de hacer eso".
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| Impresión artística de agujeros negros binarios a punto de chocar. No se sabe si hubo emisiones electromagnéticas asociadas con GW190521. Crédito de la imagen: Mark Myers, Centro de excelencia ARC para el descubrimiento de ondas gravitacionales (OzGrav). |
Esta investigación fue financiada por la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU.
Información adicional sobre los observatorios de ondas gravitacionales:
LIGO está financiado por la NSF y operado por Caltech y MIT, que concibieron a LIGO y lideran el proyecto. El apoyo financiero para el proyecto Advanced LIGO fue dirigido 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, Países Bajos, Polonia y España. El Observatorio Gravitacional Europeo (EGO) alberga el detector Virgo cerca de Pisa en Italia, y está financiado por el Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) en Francia, el Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) en Italia y Nikhef en los Países Bajos. Se 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
- GW190521: Una fusión binaria de agujeros negros con una masa total de 150 M_o (documento de descubrimiento). Publicado en Phys. Rev. Lett. 125, 101102 (2020)
- Propiedades e implicaciones astrofísicas de la fusión de agujeros negros binarios de 150 Msun GW190521. Publicado en Astrophys. J. Lett. 900 L13 (2020)
- GW190521 Muestras de estimación de parámetros y datos de figuras
- Anuncio de GW190521 en el sitio web de LSC
- Comunicado de prensa de Virgo sobre GW190521
Contactos de medios
Caltech
Whitney Clavin
MIT
Abigail Abazorius
617-253-2709
Virgo
Livia Conti
Asuntos de prensa de NSF
703-292-7090
• Publicado el LIGO, el 2 de septiembre del 2020, enlace publicación.
