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:LIGO / Caltech / MIT / R. Herido (IPAC)
Cuando mueran las estrellas más masivas, colapsan por su propia gravedad y dejan agujeros negros; cuando mueren estrellas un poco menos masivas, explotan en una supernova y dejan atrás densos, restos muertos de estrellas llamadas estrellas de neutrones. Por décadas, Los astrónomos se han quedado perplejos por la 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 tiene unas cinco masas solares. La pregunta seguía siendo:¿hay algo en esta llamada brecha de masas?
Ahora, en un nuevo estudio del Observatorio de Ondas Gravitacionales del Interferómetro Láser (LIGO) de la National Science Foundation y el detector Virgo en Europa, Los científicos han anunciado el descubrimiento de un objeto de 2,6 masas solares, colocándolo firmemente en el espacio de masa. El objeto fue encontrado el 14 de agosto de 2019, cuando se fusionó con un agujero negro de 23 masas solares, generando una salpicadura de ondas gravitacionales detectadas en la Tierra por LIGO y Virgo. Se aceptó un artículo sobre la detección para su publicación en Las cartas del diario astrofísico .
"Hemos estado esperando décadas para resolver este misterio, "dice la coautora 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 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 la Colaboración Científica de LIGO. "La brecha de masa puede, de hecho, no existir en absoluto, pero puede haber sido debido a limitaciones en las capacidades de observación. El tiempo y más observaciones lo dirán".
La fusión cósmica descrita en el estudio, un evento denominado GW190814, resultó en 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, haciendo de esta la relación de masa más extrema conocida para un evento de ondas gravitacionales. Otro evento LIGO-Virgo reportado recientemente, 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 socio de masa baja reside en la brecha de masa. Este descubrimiento implica que estos eventos ocurren con mucha más frecuencia de lo que predijimos, haciendo de este un objeto de baja masa realmente intrigante, "explica Kalogera." El objeto misterioso puede ser una estrella de neutrones que se fusiona con un agujero negro, una posibilidad emocionante que se esperaba teóricamente pero que aún no se ha confirmado observacionalmente. Sin embargo, a 2,6 veces la masa de nuestro sol, excede las predicciones modernas para la masa máxima de estrellas de neutrones, y, en cambio, puede ser el agujero negro más ligero jamás detectado ".
Este gráfico muestra las masas de los agujeros negros detectadas mediante observaciones electromagnéticas (violeta), los agujeros negros medidos por observaciones de ondas gravitacionales (azul), las estrellas de neutrones medidas con observaciones electromagnéticas (amarillo), y las estrellas de neutrones detectadas mediante ondas gravitacionales (naranja). GW190814 se destaca en el medio del gráfico como la fusión de un agujero negro y un objeto misterioso de aproximadamente 2,6 veces la masa del sol. Crédito:LIGO-Virgo / Frank Elavsky y Aaron Geller (Noroeste)
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 captó ninguna señal. Hasta aquí, 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 de fuego 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 direcciones y, por lo tanto, se espera que brille con luz. En cambio, fusiones de agujeros negros, en la mayoría de las circunstancias, se cree que no producen luz.
Según los científicos de LIGO y Virgo, El evento de agosto de 2019 no fue visto por telescopios basados en la luz por algunas posibles razones. Primero, este evento fue seis veces más lejano que la fusión observada en 2017, lo que dificulta la captación de señales luminosas. En segundo lugar, si la colisión involucró dos agujeros negros, probablemente no habría brillado con luz alguna. 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 puntito, ", dice Kalogera." Cuando las masas son muy asimétricas, la estrella de neutrones más pequeña se puede comer de un bocado ".
¿Cómo sabrán los investigadores si el objeto misterioso era una estrella de neutrones o un agujero negro? Observaciones futuras con LIGO, Virgo, y posiblemente otros telescopios puedan captar 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. "What is really exciting is that this is just the start. As the detectors get more and more sensitive, we will observe even more of these signals, and we will be able to pinpoint the populations of neutron stars and black holes in the universe."
"The mass gap has been an interesting puzzle for decades, and now we've detected an object that fits just inside it, " says Pedro Marronetti, program director for gravitational physics at the National Science Foundation (NSF). "That cannot be explained without defying our understanding of extremely dense matter or what we know about the evolution of stars. This observation is yet another example of the transformative potential of the field of gravitational-wave astronomy, which brings novel insights to light with every new detection."
