LIGO-Virgo-KAGRA encuentra elusivas fusiones de agujeros negros con estrellas de neutrones
Por primera vez, los investigadores han confirmado la detección de una colisión entre un agujero negro y una estrella de neutrones. De hecho, los científicos detectaron no uno, sino dos de estos eventos que ocurrieron con solo 10 días de diferencia en enero de 2020. Los eventos extremos provocaron salpicaduras en el espacio que enviaron ondas gravitacionales que se extendieron a lo largo de al menos 900 millones de años luz para llegar a la Tierra. En cada caso, la estrella de neutrones probablemente fue tragada entera por su compañero agujero negro.
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| Una simulación de una fusión NSBH Imagen de una simulación de relatividad numérica de colaboración MAYA de una fusión binaria estrella de neutrones-agujero negro (NSBH), que muestra la ruptura de la estrella de neutrones. Crédito: Deborah Ferguson (UT Austin), Bhavesh Khamesra (Georgia Tech) y Karan Jani (Vanderbilt University). |
Las ondas gravitacionales son perturbaciones en la curvatura del espacio-tiempo creadas por objetos masivos en movimiento. Durante los cinco años desde que se midieron las ondas por primera vez, un hallazgo que condujo al Premio Nobel de Física de 2017, los investigadores han identificado más de 50 señales de ondas gravitacionales de la fusión de pares de agujeros negros y de pares de estrellas de neutrones. Tanto los agujeros negros como las estrellas de neutrones son los cadáveres de estrellas masivas, y los agujeros negros son incluso más masivos que las estrellas de neutrones.
Ahora, en un nuevo estudio, los científicos han anunciado la detección de ondas gravitacionales de dos eventos raros, cada uno de los cuales involucra la colisión de un agujero negro y una estrella de neutrones. Las ondas gravitacionales fueron detectadas por el Observatorio de Ondas Gravitacionales del Interferómetro Láser (LIGO) de la National Science Foundation (NSF) en los Estados Unidos y por el detector Virgo en Italia. El detector KAGRA en Japón, se unió a la red LIGO-Virgo en 2020, pero no estaba en línea durante estas detecciones.
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| Una hoja de datos que presenta las propiedades básicas de los eventos binarios detectados de estrella de neutrones y agujero negro. Créditos: B.S. Sathyaprakash, Penn State y Cardiff University. |
La primera fusión, detectada el 5 de enero de 2020, involucró un agujero negro de aproximadamente 9 veces la masa de nuestro sol, o 9 masas solares, y una estrella de neutrones de 1,9 masas solares. La segunda fusión se detectó el 15 de enero e involucró un agujero negro de 6 masas solares y una estrella de neutrones de 1,5 masas solares. Los resultados fueron publicados hoy, 29 de junio, en The Astrophysical Journal Letters.
Los astrónomos han pasado décadas buscando estrellas de neutrones que orbitan agujeros negros en la Vía Láctea, nuestra galaxia natal, pero hasta ahora no han encontrado ninguna. "Con este nuevo descubrimiento de fusiones de estrellas de neutrones y agujeros negros fuera de nuestra galaxia, hemos encontrado el tipo de binario que falta. Finalmente podemos comenzar a comprender cuántos de estos sistemas existen, con qué frecuencia se fusionan y por qué aún no hemos visto ejemplos en la Vía Láctea ", dice Astrid Lamberts, investigadora del Observatoire de la Côte d'Azur, en Niza, Francia.
GW200105
El primero de los dos eventos, GW200105, fue observado por los detectores LIGO Livingston y Virgo. Producía una señal fuerte en el detector LIGO pero tenía una pequeña relación señal-ruido en el detector Virgo. El otro detector LIGO, ubicado en Hanford, Washington, estuvo temporalmente fuera de línea. Dada la naturaleza de las ondas gravitacionales, el equipo infirió que la señal fue causada por un agujero negro que colisionó con un objeto compacto de 1,9 masas solares, posteriormente identificado como una estrella de neutrones. Esta fusión tuvo lugar a 900 millones de años luz de distancia.
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| Una simulación de una fusión binaria NSBH consistente con GW200105 Imagen de una simulación de relatividad numérica de colaboración MAYA de una fusión binaria estrella de neutrones-agujero negro (NSBH) consistente con GW200105. Esto muestra la emisión de ondas gravitacionales de un sistema doméstico de estrellas de neutrones negro similar al GW200105. El agujero negro tiene aproximadamente 4,7 veces la masa de la estrella y ninguno de los objetos gira. Debido a la diferencia significativa de masa, la estrella apenas sufre interrupciones hasta el final y es engullida por el agujero negro casi por completo. Crédito: Deborah Ferguson (UT Austin), Bhavesh Khamesra (Georgia Tech) y Karan Jani (Vanderbilt University). |
"Aunque vemos una señal fuerte en un solo detector, llegamos a la conclusión de que es real y no solo ruido del detector. Pasa todos nuestros estrictos controles de calidad y sobresale de todos los eventos de ruido que vemos en la tercera serie de observación", dice Harald. Pfeiffer, líder de grupo en el departamento de Relatividad Astrofísica y Cosmológica del Instituto Max Planck de Física Gravitacional (AEI) en Potsdam, Alemania.
Debido a que la señal fue fuerte en un solo detector, la ubicación de la fusión en el cielo sigue siendo incierta, en algún lugar de un área que es 34.000 veces el tamaño de una luna llena.
"Si bien las ondas gravitacionales por sí solas no revelan la estructura del objeto más ligero, podemos inferir su masa máxima. Combinando esta información con predicciones teóricas de masas de estrellas de neutrones esperadas en un sistema binario de este tipo, llegamos a la conclusión de que una estrella de neutrones es la explicación más probable ", dice Bhooshan Gadre, investigador postdoctoral en el AEI.
GW200115
El segundo evento, GW200115, fue detectado por los detectores LIGO y el detector Virgo. GW200115 proviene de la fusión de un agujero negro con una estrella de neutrones de 1,5 masas solares que tuvo lugar aproximadamente a mil millones de años luz de la Tierra. Usando información de los tres instrumentos, los científicos pudieron reducir mejor la parte del cielo donde ocurrió este evento. Sin embargo, el área localizada es casi 3000 veces el tamaño de una luna llena.
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| Imagen de una simulación consistente con la señal GW200115 GW Esta es una imagen de una simulación consistente con la señal GW200115 GW y la coalescencia agujero negro-estrella de neutrones. Crédito: Simulación de relatividad numérica: S.V. Chaurasia (Universidad de Estocolmo), T. Dietrich (Universidad de Potsdam e Instituto Max Planck de Física Gravitacional). Visualización científica: T. Dietrich (Universidad de Potsdam e Instituto Max Planck de Física Gravitacional), N. Fischer. S. Ossokine, H. Pfeiffer (Instituto Max Planck de Física Gravitacional). |
Los astrónomos fueron alertados de ambos eventos poco después de que fueran detectados en ondas gravitacionales y posteriormente buscaron en los cielos destellos de luz asociados. Ninguno fue encontrado. Esto no es sorprendente debido a la gran distancia a estas fusiones, lo que significa que cualquier luz que provenga de ellas, sin importar la longitud de onda, sería muy tenue y difícil de detectar incluso con los telescopios más potentes. Además, las fusiones probablemente no emitieron un espectáculo de luces en ningún caso porque sus agujeros negros eran lo suficientemente grandes como para tragar las estrellas de neutrones enteras.
"Estos no fueron eventos en los que los agujeros negros masticaron las estrellas de neutrones como el monstruo de las galletas y arrojaron trozos y pedazos. Ese 'revolcarse' es lo que produciría luz, y no creemos que eso haya sucedido en estos casos", dice. Patrick Brady, profesor de la Universidad de Wisconsin-Milwaukee y portavoz de la Colaboración Científica LIGO.
Anteriormente, la red LIGO-Virgo encontró otras dos fusiones candidatas de estrella de neutrones y agujero negro. Un evento llamado GW190814, detectado el 14 de agosto de 2019, involucró una colisión de un agujero negro de 23 masas solares con un objeto de aproximadamente 2,6 masas solares, que podría ser la estrella de neutrones más pesada conocida o el agujero negro más ligero conocido. Se pensó que otro evento candidato, llamado GW190426, y detectado el 26 de abril de 2019, era posiblemente una fusión de estrella de neutrones y agujero negro, pero también podría ser simplemente el resultado del ruido del detector.
Después de haber observado con confianza dos ejemplos de ondas gravitacionales de agujeros negros que se fusionan con estrellas de neutrones, los investigadores ahora estiman que, dentro de mil millones de años luz de la Tierra, ocurre aproximadamente una de esas fusiones por mes.
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| Masas en el cementerio estelar: GWTC-2 + NSBHs (GW200105 / GW200115) Masas de detecciones de ondas gravitacionales anunciadas y estrellas de neutrones y agujeros negros previamente restringidas a través de observaciones electromagnéticas. Esta actualización de la versión del catálogo GWTC-2 O3a destaca los NSBHs GW200105 + GW200115. Créditos: LIGO-Virgo / Frank Elavsky, Aaron Geller / Northwestern University. |
"Los grupos de detectores de LIGO, Virgo y KAGRA están mejorando sus detectores en preparación para la próxima ejecución de observación programada para comenzar en el verano de 2022", dice Brady. "Con la sensibilidad mejorada, esperamos detectar ondas de fusión hasta una vez al día y medir mejor las propiedades de los agujeros negros y la materia superdensa que forma las estrellas de neutrones".
Información adicional sobre los observatorios de ondas gravitacionales:
Este material se basa en el trabajo respaldado por el Laboratorio LIGO de NSF, que es una instalación importante financiada por NSF. LIGO es operado por Caltech y MIT, que concibieron LIGO y lideraron el proyecto de detector Advanced LIGO. El apoyo financiero para el proyecto Advanced LIGO provino principalmente de la NSF con Alemania (Sociedad Max Planck), el Reino Unido (Consejo de Instalaciones de Ciencia y Tecnología) y Australia (Consejo Australiano de Investigación-OzGrav) haciendo importantes compromisos y contribuciones al proyecto. Aproximadamente 1.400 científicos de todo el mundo participan en el esfuerzo de analizar los datos y desarrollar diseños de detectores 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.
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| KAGRA, ilustrado en la parte superior derecha, se unirá a una red de observatorios de ondas gravitacionales que incluye LIGO Hanford (arriba a la izquierda), LIGO Livingston (abajo a la derecha) y Virgo (abajo a la izquierda). Crédito de la imagen: ICRR, Univ. de Tokio / LIGO Lab / Caltech / MIT / Virgo Collaboration. |
La Colaboración Virgo está compuesta actualmente por aproximadamente 650 miembros de 119 instituciones en 14 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 Centre National de la Recherche Scientifique (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 Virgo Collaboration 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.
El detector KAGRA se encuentra en Kamioka, Gifu, Japón. El instituto anfitrión es el Instituto de Investigaciones sobre Rayos Cósmicos (ICRR) de la Universidad de Tokio, y el proyecto está coorganizado por el Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ) y la Organización de Investigación del Acelerador de Alta Energía (KEK). KAGRA completó su construcción en 2019 y luego se unió a la red internacional de ondas gravitacionales de LIGO y Virgo. La toma de datos real se inició en febrero de 2020 durante la etapa final de la ejecución denominada "O3b". La colaboración de KAGRA está compuesta por más de 470 miembros de 11 países / regiones. La lista de investigadores está disponible en http://gwwiki.icrr.u-tokyo.ac.jp/JGWwiki/KAGRA/KSC/Researchers. La información de KAGRA se encuentra en el sitio web https://gwcenter.icrr.u-tokyo.ac.jp/en/
Serie de seminarios web
Para aquellos que deseen profundizar en estos resultados de LIGO-Virgo, el equipo ha programado un seminario web destinado a una audiencia científica. Este es el octavo seminario web de la serie de seminarios web LIGO-Virgo-KAGRA. El seminario web de Zoom de una hora tendrá lugar el 1 de julio de 2021 a las 14:00, hora universal coordinada (7:00, hora de verano del Pacífico; 10:00, hora de verano del este; 16:00, hora de verano de Europa Central; 23:00, hora estándar de Japón).
Para registrarse, visite: https://uwm-edu.zoom.us/webinar/register/WN__GVBbtcoRRCbMM5oieoEdg.
El seminario web de Zoom también se transmitirá en vivo y una grabación estará disponible a pedido.
Enlace de interés:
GW200105 AND GW200115 publicado en LSC (LIGO Scientific Colaboration)
Recursos adicionales
Documento de descubrimiento: "Observation of gravitational waves from two neutron star-black hole coalescences", publicado en Astrophys. J. Lett. 915 L5 (2021).
Artículo científico de detección en el sitio web de LSC, enlace artículo.
Vídeos de referencia
Visualización de una fusión binaria NSBH consistente con GW200105
Simulación de una coalescencia NSBH (estrella de neutrones-agujero negro, del inglés) compatible con GW200115
Contactos de medios
AEI / Instituto Max Planck de Física Gravitacional
Benjamin Knispel
+49 (0) 511-762-19104
Caltech
Whitney Clavin
626-390-9601
MIT
Abigail Abazorius
617-253-2709
UWM
Laura Otto
414-303-4868
Virgo
Livia Conti
EGO
Vincenzo Napolano
+393472994985
KAGRA
Masatake Ohashi
NSF
Josh Chamot
• Publicado en LIGO el 29 de junio del 2021, enlace publicación.
