Hace mucho tiempo, en dos galaxias a unos 900 millones de años luz de distancia, dos agujeros negros devoraron cada uno a sus compañeras de estrellas de neutrones, desencadenando ondas gravitacionales que finalmente golpearon la Tierra en enero de 2020.

Descubierto por un equipo internacional de astrofísicos, incluidos investigadores de la Universidad Northwestern, dos eventos, detectados con solo 10 días de diferencia, marcan la primera detección de un agujero negro que se fusiona con una estrella de neutrones. Los hallazgos permitirán a los investigadores sacar las primeras conclusiones sobre los orígenes de estos raros sistemas binarios y la frecuencia con la que se fusionan.

"Las ondas gravitacionales nos han permitido detectar colisiones de pares de agujeros negros y pares de estrellas de neutrones, pero la colisión mixta de un agujero negro con una estrella de neutrones ha sido la elusiva pieza faltante de la imagen familiar de las fusiones de objetos compactos, "dijo Chase Kimball, un estudiante de posgrado de Northwestern que fue coautor del estudio. "Completar esta imagen es crucial para restringir la gran cantidad de modelos astrofísicos de formación de objetos compactos y evolución binaria. Inherentes a estos modelos son sus predicciones de las tasas a las que los agujeros negros y las estrellas de neutrones se fusionan entre sí. Con estas detecciones, finalmente tenemos mediciones de las tasas de fusión en las tres categorías de fusiones binarias compactas ".

La investigación se publicará el 29 de junio en el Cartas de revistas astrofísicas . El equipo incluye investigadores de LIGO Scientific Collaboration (LSC), el proyecto Virgo Collaboration y Kamioka Gravitational Wave Detector (KAGRA). Un miembro de LSC, Kimball dirigió los cálculos de las estimaciones de la tasa de fusión y cómo encajan en las predicciones de los diversos canales de formación de estrellas de neutrones y agujeros negros. También contribuyó a las discusiones sobre las implicaciones astrofísicas del descubrimiento.

Kimball es co-asesorado por Vicky Kalogera, el investigador principal del grupo LSC de Northwestern, director del Centro de Exploración e Investigación Interdisciplinaria en Astrofísica (CIERA) y el Profesor Distinguido Daniel I. Linzer de Física y Astronomía en las Facultades de Artes y Ciencias de Weinberg; y por Christopher Berry, miembro de LSC y profesor de investigación de la Junta de Visitantes de CIERA en Northwestern, así como conferencista en el Instituto de Investigación Gravitacional de la Universidad de Glasgow. Otros coautores de Northwestern incluyen a Maya Fishbach, un becario postdoctoral Einstein de la NASA y miembro del LSC.

Dos eventos en diez días

El equipo observó los dos nuevos eventos de ondas gravitacionales, denominados GW200105 y GW200115, el 5 de enero. 2020, y el 15 de enero 2020, durante la segunda mitad de la tercera serie de observación de los detectores LIGO y Virgo, llamado O3b. Aunque varios observatorios llevaron a cabo varias observaciones de seguimiento, ninguno observó la luz de ninguno de los eventos, coherente con las masas y distancias medidas.

"Tras el fascinante descubrimiento, anunciado en junio de 2020, de una fusión de un agujero negro con un objeto misterioso, que puede ser la estrella de neutrones más masiva conocida, También es emocionante tener la detección de fusiones mixtas claramente identificadas, como lo predijeron nuestros modelos teóricos durante décadas, ", Dijo Kalogera." Emparejar cuantitativamente las restricciones de tasa y las propiedades para los tres tipos de población será una forma poderosa de responder a las preguntas fundamentales de los orígenes ".

Los tres grandes detectores (tanto los instrumentos LIGO como el instrumento Virgo) detectaron GW200115, que resultó de la fusión de un agujero negro de 6 masas solares con una estrella de neutrones de 1,5 masas solares, aproximadamente a mil millones de años luz de la Tierra. Con observaciones de los tres detectores ampliamente separados en la Tierra, la dirección al origen de las ondas se puede determinar en una parte del cielo equivalente al área cubierta por 2, 900 lunas llenas.

Solo 10 días antes, LIGO detectó una señal fuerte de GW200105, using just one detector while the other was temporarily offline. While Virgo also was observing, the signal was too quiet in its data for Virgo to help detect it. From the gravitational waves, the astronomers inferred that the signal was caused by a 9-solar mass black hole colliding with a 1.9-solar mass compact object, which they ultimately concluded was a neutron star. This merger happened at a distance of about 900 million light-years from Earth.

Because the signal was strong in only one detector, the astronomers could not precisely determine the direction of the waves' origin. Although the signal was too quiet for Virgo to confirm its detection, its data did help narrow down the source's potential location to about 17% of the entire sky, which is equivalent to the area covered by 34, 000 full moons.

Where do they come from?

Because the two events are the first confident observations of gravitational waves from black holes merging with neutron stars, the researchers now can estimate how often such events happen in the universe. Although not all events are detectable, the researchers expect roughly one such merger per month happens within a distance of one billion light-years.

While it is unclear where these binary systems form, astronomers identified three likely cosmic origins:stellar binary systems, dense stellar environments including young star clusters, and the centers of galaxies.

The team is currently preparing the detectors for a fourth observation run, to begin in summer 2022.

"We've now seen the first examples of black holes merging with neutron stars, so we know that they're out there, " Fishbach said. "But there's still so much we don't know about neutron stars and black holes—how small or big they can get, how fast they can spin, how they pair off into merger partners. With future gravitational wave data, we will have the statistics to answer these questions, and ultimately learn how the most extreme objects in our universe are made."