Detectada la fusión entre una estrella de neutrones y un objeto desconocido

El grupo GRAVITY de la Universidad de las Islas Baleares ha participado en la detección de la señal de onda gravitacional GW230529, realizada por los detectores de la colaboración LIGO-Virgo-KAGRA el 29 de mayo de 2023. El detector LIGO está en Estados Unidos, Virgo en Italia y el interferómetro KAGRA en Japón.

La detección tuvo lugar durante la primera parte del cuarto período de observación (04a) de los detectores, del 24 de mayo de 2023 al 16 de enero de 2024. Después de una pausa de varios meses, este miércoles se ha reanudado la segunda parte (O4b), que se prolongará hasta febrero de 2025.

La onda gravitacional GW230529 fue causada por la fusión de una estrella de neutrones y un objeto compacto con entre 2,5 y 4,5 masas solares

Según los investigadores, la onda gravitacional GW230529 habría sido causada por la fusión de una estrella de neutrones de entre 1,2 y 2 masas solares y un objeto compacto desconocido con entre 2,5 y 4,5 masas solares, mayor a la esperada para ser una estrella de neutrones y menor que un agujero negro. El texto provisional del estudio ya se ha publicado.

Brecha de masas solares

La masa de este objeto desconocido desafía los modelos actuales de poblaciones de agujeros negros y estrellas de neutrones, que proponían la existencia de una brecha en la distribución de objetos compactos, según la cual no podrían existir objetos en el intervalo entre 3 y 5 masas solares.

Hasta ahora, las estrellas de neutrones detectadas tienen menos de 3 masas solares, mientras que los agujeros negros tendrían más de 5.

Esquema de la brecha de masas entre agujeros negros y estrellas de neutrones con observaciones de ondas gravitacionales. / Astronerdika/Futuraconjetura + LVK Collaboration

Observaciones recientes de ondas gravitacionales habrían propuesto la existencia de objetos situados en esta brecha de masas. Para una detección anterior, GW190814, se estimó que uno de los objetos causantes se situaría entre 2,5 y 2,7 masas solares, más elevada que la estrella de neutrones más pesada observada hasta la fecha, pero mucho menor que las masas de agujeros negros. Aun así, ese evento no se encontraba con certeza en la brecha de masas.

Este mismo año también se publicó en la revista Science la detección, con un radiotelescopio desde Sudáfrica, de un objeto que podría situarse en la ‘brecha de masas’ entre las estrellas de neutrones y los agujeros negros.

GW230529 es un candidato firme para redefinir los modelos de poblaciones de agujeros negros y estrellas de neutrones

Las fusiones de ambos objetos son eventos poco frecuentes. Por ello, cada nueva detección es extremadamente valiosa para el estudio de los índices de fusión, y para la caracterización de las poblaciones de agujeros negros y estrellas de neutrones, que es uno de los objetivos de la astronomía de las ondas gravitacionales.

Los investigadores de la colaboración LIGO-Virgo-KAGRA señalan que la naturaleza del objeto desconocido hace de GW230529 un candidato firme para redefinir los modelos de poblaciones de agujeros negros y estrellas de neutrones.

 ¿Cómo se formó GW230529?

El proceso de formación que dio lugar a GW230529 es incierto. Los investigadores manejan dos escenarios plausibles. El primero sería la formación por retroceso, donde el colapso del núcleo de una supernova da lugar a un agujero negro (y no a una estrella de neutrones) debido a la acumulación de material residual procedente del núcleo.

Resultados recientes de modelos numéricos han demostrado que la formación de agujeros negros de entre 3 y 6 masas solares es posible mediante este mecanismo de formación. Las simulaciones de colapso del núcleo para estrellas de helio han predicho masas de agujeros negros tan bajas como la masa máxima de las estrellas de neutrones, aunque el rango de masas por debajo de 5 masas solares está menos poblado.

El objeto desconocido podría ser un agujero negro fruto del colapso del núcleo de una supernova, o bien relacionado con la fusión binaria de estrellas de neutrones

A día de hoy, los modelos de colapso del núcleo siguen presentando grandes incertidumbres en cuanto al resultado del proceso, por lo que resulta difícil determinar con precisión los límites de las masas de los objetos compactos. GW230529 es, por tanto, un valioso recurso para restringir estos modelos.

Otro escenario posible para la formación del componente primario es a través de una fusión binaria de estrellas de neutrones. En este caso se podría imaginar que la componente secundaria es miembro de un antiguo sistema triple o cuádruple, o que la capturó mientras evolucionaba en un cúmulo estelar joven o en un núcleo galáctico activo. Tampoco se podría excluir un origen no estelar, como un agujero negro primordial.

El estudio de otros sistemas en la brecha de masa, como GW230529, permitirá refinar la comprensión de las poblaciones de agujeros negros y estrellas de neutrones. Esto, a su vez, permitirá comprender mejor sus mecanismos de formación y, en el caso de las estrellas de neutrones, su estructura interna.

Esta semana se han reanudado las operaciones de los detectores de la colaboración LIGO-Virgo-KAGRA

Mientras continúen las observaciones, los investigadores de LIGO-Virgo-KAGRA analizarán los datos de la primera parte del período y comprobarán las 80 señales candidatas significativas restantes que fueron identificadas.

Al final del cuarto período, cuya segunda fase acaba de arrancar, se podrían superar las 200 señales de ondas gravitacionales registradas. La colaboración internacional también espera que haya nuevos eventos multimensajero, aquellos que también pueden ser seguidos a través de ondas electromagnéticas por otros telescopios en la Tierra y en el espacio.

Modelos de forma de onda desde Baleares

El grupo GRAVITY de la Universidad de las Illes Balears (UIB), liderado por la doctora Alicia Sintes, es el único grupo español que ha participado en todas las detecciones de ondas gravitacionales a través de la colaboración científica LIGO.

Diversos modelos de forma de onda desarrollados por el este grupo se han utilizado para el análisis de GW230529. Estos modelos incorporan efectos físicos clave, dada la naturaleza incierta de los objetos compactos de la fuente.

En particular, el modelo de sistemas binarios de agujeros negros (IMRPhenomXPHM), liderado por Sascha Husa, es uno de los de referencia en los resultados principales del artículo donde se recoge el hallazgo.

Otro modelo de sistemas binarios formados por estrellas de neutrones (IMRPhenomXP_NRTidalv2) desarrollado por Marta Colleoni y sus colaboradores, fue utilizado en un análisis adicional para buscar desviaciones en la señal más allá de la teoría de la relatividad general de Einstein. Los resultados conseguidos con este modelo son consistentes con la teoría estándar.

Además, Anna Heffernan participó de manera directa en las estimaciones iniciales de los parámetros de la señal GW230529, como uno de los 6 miembros del turno de guardia cuando se produjo la detección, a las 19.15 horas CEST del 29 de mayo de 2023.

Heffernan y sus compañeros iniciaron investigaciones más detalladas utilizando para ello los modelos desarrollados en la UIB, IMRPhenomXPHM y otros como IMRPhenomNSBH, que fueron continuadas por otros equipos de la colaboración LIGO-Virgo-KAGRA, dada la importancia del evento. De hecho, GW230529 fue el primer evento que se consideró de alta prioridad del período de observación O4a.

Por su parte, David Keitel, ha participado en el escenario del efecto de lente gravitacional para GW230529. Este estudio ha considerado la posibilidad, aunque poco probable, de que una masa grande, como una galaxia, haya podido magnificar la señal de una fusión normal de estrellas de neutrones haciendo que pareciera la fusión de objetos más masivos.

Además de formar parte de LIGO, el grupo GRAVITY también tiene un papel destacado en la misión espacial LISA, aprobada recientemente por la Agencia Espacial Europea (ESA) para hacer realidad la construcción del primer observatorio espacial de ondas gravitacionales.

Investigadores del grupo GRAVITY de la Universidad de las Islas Baleares. / UIB