Les col·laboracions internacionals Virgo, LIGO i KAGRA han afegit una peça a la comprensió dels fenòmens còsmics extrems: la primera observació directa de parells formats per un forat negre i una estrella de neutrons. Es tracta d’un fenomen completament nou, ja que les ones gravitacionals detectades fins ara havien estat generades per parells de forats negres o parells d’estrelles de neutrons. José Antonio Font, catedràtic d’Astronomia i Astrofísica de la Universitat de València i Isabel Cordero, professora de la Facultat de Matemàtiques, són integrants del grup de recerca de la UV en la col·laboració científica Virgo.

El descobriment proporciona noves perspectives sobre els mecanismes complexos que podrien haver generat aquests esdeveniments tan extrems i rars, i, juntament amb les deteccions anteriors de Virgo i LIGO, comencen a llançar llum sobre un paisatge còsmic encara inexplorat.

Les col·laboracions científiques Virgo, LIGO i KAGRA han anunciat hui la primera observació mai vista de sistemes binaris formats per una estrella de neutrons (EN) i un forat negre (FN). Ha sigut possible per la detecció, el gener de 2020, de senyals gravitatoris (etiquetats com GW200105 i GW200115 per les dates de les seues deteccions) emesos per dos sistemes, en els quals un forat negre i una estrella de neutrons, girant un al voltant de l’altra, es van fusionar en un únic objecte compacte. L’existència d’aquests sistemes va ser predita per la comunitat astronòmica fa diverses dècades, però mai havien estat observats amb seguretat fins ara, ja fóra per senyals electromagnètics o gravitatoris. El resultat i les seues implicacions astrofísiques han sigut publicades hui en la revista The Astrophysical Journal Letters.

“L’anunci de hui posa de nou de manifest l’enorme potencial per al descobriment de l’Astronomia d’Ones Gravitatòries”, apunta José Antonio Font, investigador de la Universitat de València en la col·laboració Virgo. “Els dos senyals observats han tornat a confirmar una predicció avançada per models teòrics. És molt excitant imaginar què pot ocórrer amb altres propostes teòriques a mesura que augmenten les prestacions dels observatoris actuals”, conclou Font.

“Estem en un moment de transició en l’astronomia d’ones gravitacionals: des de les primeres deteccions individuals d’objectes de diferent naturalesa que estem vivint ara mateix, fins a les nombroses deteccions que estan per arribar en els pròxims anys i que ens permetran analitzar de manera global les propietats de poblacions d’aquests objectes”, assenyala Isabel Cordero Carrión, membre de l’equip de divulgació i comunicació de la col·laboració Virgo i professora a la Universitat de València. “Anirem revelant com es distribueixen objectes dels quals, a penes uns anys enrere, encara no teníem prova de la seua existència, i analitzant quin possible paper tenen en la formació d’estructures i en els diferents escenaris astrofísics”.

Els senyals gravitatoris detectats en gener codifiquen informació valuosa sobre les característiques físiques dels sistemes, com ara la massa i la distància dels dos parells d’estrella de neutrons i forat negre (ENFN), així com sobre els mecanismes físics que han generat aquests objectes i han fet que col·lapsen. L’anàlisi del senyal ha mostrat que el forat negre i l’estrella de neutrons que van originar GW200105 són, respectivament, al voltant de 8,9 i 1,9 vegades tan massius com el Sol i que la seua fusió va ser fa uns 900 milions d’anys, centenars de milions d’anys abans que els primers dinosaures aparegueren a la Terra. En el cas de l’esdeveniment GW200115, els científics de Virgo, LIGO i KAGRA estimen que els dos objectes compactes tenien massesunes 5,7 (per al FN) i 1,5 (per a l’EN) vegades la massa del Sol i que es van fusionar fa quasi mil milions d’anys.

Predicció

L’estimació de la massa de l’objecte més massiu en els dos casos cau dins de l’interval d’ajust predit per als forats negres formats en els models d’evolució estel·lar. La massa més lleugera és també consistent amb les estrelles de neutrons i aquests resultats indiquen que els dos sistemes detectats són parells ENFN, fins i tot si tenen diferents nivells de confiança. En aquest sentit, encara que la significança estadística de GW200105 no és tan alta, la “forma” del senyal així com els paràmetres inferits de les anàlisis, condueixen als investigadors a creure que té un origen astrofísic.

Una prova addicional de la detecció d’un sistema mixt d’una estrella de neutrons i un forat negre podria haver sigut la detecció de radiació electromagnètica juntament amb les ones gravitacionals. De fet, si les masses dels dos objectes compactes són aproximadament comparables, l’estrella de neutrons, mentre s’acosta al forat negre, està subjecta a tals forces de marea que es fragmenta. En aquest cas, a més de les emissions gravitatòries, es podria també observar una flamerada espectacular de radiació electromagnètica, a causa de la desintegració de la matèria estel·lar al voltant del forat negre: un mecanisme similar al que condueix a la formació de discos d’acreció al voltant de forats negres gegants en el centre de les galàxies. Això probablement no va succeir ni per a GW200105 ni per a GW200115, ja que en els dos casos la massa del forat negre era molt gran, per la qual cosa una vegada la separació entre els dos objectes va ser prou menuda, el forat negre, per dir-ho així, es va empassar la seua companya d’un sol mos.

Article:

Abbot et al. 2021, ApJL, 915, L5. DOI: 10.3847/2041-8213/ac082e

URL (inactiu fins al momento de l’embargament): https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ac082e 

Peu de foto:

- Imatge artística Rainbow Swirl, inspirada en la fusió d’un forat negre i una estrella de neutrons. Crèdit: Carl Knox, OzGrav-Swinburne University

Més informació:

Virgo en http://www.virgo-gw.eu

Ligo: https://my.ligo.org/census.php.

KAGRA: https://gwcenter.icrr.u-tokyo.ac.jp/en/

Contribució a Espanya:

Sis grups espanyols contribueixen a l’estudi i l’anàlisi de les ones gravitacionals detectades per LIGO Virgo, en àrees que van des del modelatge teòric de les fonts astrofísiques i l’anàlisi de les dades fins a la millora de la sensibilitat dels detectors per als períodes d’observació actuals i futurs. Dos grups, a la Universitat de les Illes Balears (UIB) i l’Instituto Galego de Física de Altas Enerxías (IGFAE) de la Universitat de Santiago de Compostel·la (USC), formen part de la Col·laboració Científica LIGO; mentre que la Universitat de València (UV), l’Institut de Ciències del Cosmos de la Universitat de Barcelona (ICCUB), l’Institut de Física d’Altes Energies (IFAE) de Barcelona i l’Institut de Física Teòrica (IFT) de la Universitat Autònoma de Madrid-CSIC són membres de Virgo.

Observatoris d’ones gravitacionals:

La Col·laboració Virgo està actualment formada per aproximadament 700 membres de 126 institucions en 15 països diferents (principalment a Europa). L’Observatori Gravitatori Europeu (EGO, per les seues sigles en anglès) alberga el detector Virgo prop de Pisa, a Itàlia, i és finançat pel Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) a França, el Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) a Itàlia, i Nikhef als Països Baixos.

Una llista dels grups de la Col·laboració Virgo pot trobar-se en

http://public.virgo-gw.eu/the-virgo-collaboration/

LIGO ha estat finançat per la National Science Foundation (NSF) i operat per Caltech i MIT, que conceberen LIGO i van liderar el projecte. L’NSF, juntament amb Alemanya (Societat Max-Planck), el Regne Unit (Science and Technology Facilities Council) i Austràlia (Australian Research Council – OzGrav), van liderar el suport econòmic per al projecte Advanced LIGO, aportant compromisos i contribucions significatives al projecte. Aproximadament 1.300 científics de tot el món participen en les tasques de la Col·laboració Científica LIGO, que inclou la Col·laboració GEO. Una llista dels col·laboradors addicionals està disponible en https://my.ligo.org/census.php.

L’interferòmetre làser KAGRA, amb braços de 3 quilòmetres de longitud, està situat a Kamioka, Gifu, Japó. L’institut que l’alberga és l’Institute of Cosmic Ray Researches (ICRR) en la Universitat de Tòquio, i el projecte està cofinançat per l’Observatori Astronòmic Nacional al Japó (NAOJ, per les seues sigles en anglès) i la High Energy Accelerator Research Organization (KEK). KAGRA va finalitzar la seua construcció en 2019, i es va unir posteriorment a la xarxa internacional d’ones gravitacionals de LIGO i Virgo.

•