El Instituto Galego de Física de Altas Enerxías (IGFAE) de la Universidade de Santiago de Compostela (USC) participa en la primera detección de dos raros eventos hasta ahora nunca observados: la colisión entre un agujero negro y una estrella de neutrones. Los resultados de este hallazgo se han publicado en “The Astrophysical Journal Letters”.  Por primera vez, la comunidad científica confirma la detección de una colisión entre un agujero negro y una estrella de neutrones. De hecho, no se ha detectado uno, sino dos eventos de este tipo que se produjeron con apenas 10 días de diferencia en enero de 2020. Estos eventos extremos “arrugaron” el espacio, produciendo ondas gravitatorias que tardaron, al menos, 900 millones de años luz hasta llegar a la Tierra. En cada caso, la estrella de neutrones fue probablemente engullida por su compañero el agujero negro.

Las ondas gravitatorias son perturbaciones en la curvatura del espacio-tiempo creadas por objetos masivos en movimiento. Durante los cinco años transcurridos desde que se midieron por primera vez ‒hallazgo que condujo al Premio Nobel de Física de 2017‒ se han identificado más de 50 señales de ondas gravitatorias procedentes 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, siendo los agujeros negros aún más masivos que las estrellas de neutrones. Ahora, en un nuevo estudio, la comunidad científica anuncia la detección de ondas gravitatorias procedentes de dos raros eventos, cada uno de los cuales implica la colisión de un agujero negro y una estrella de neutrones. Las ondas gravitatorias fueron detectadas por el Observatorio de Ondas Gravitatorias del Interferómetro Láser (LIGO) de la National Science Foundation (NSF) en 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 online durante estas detecciones.

La primera fusión, detectada el 5 de enero de 2020, involucró a un agujero negro de unas 9 veces la masa de nuestro sol, o 9 masas solares, y a una estrella de neutrones de 1,9 masas solares. La segunda fusión se detectó el 15 de enero y en ella participaron un agujero negro de 6 masas solares y una estrella de neutrones de 1,5 masas solares. Los resultados se publican hoy, 29 de junio, en The Astrophysical Journal Letters.  Los astrónomos llevan décadas buscando estrellas de neutrones que orbiten alrededor de agujeros negros en la Vía Láctea, nuestra galaxia, pero no han encontrado ninguna hasta ahora. "Con este nuevo descubrimiento de fusiones de estrellas de neutrones y agujeros negros fuera de nuestra galaxia, hemos encontrado el tipo de sistema binario que faltaba. Por fin podemos empezar a entender cuántos de estos sistemas existen, con qué frecuencia se fusionan y por qué no hemos visto aún ejemplos en la Vía Láctea", afirma Astrid Lamberts, investigadora del CNRS en el Observatorio de la Costa Azul, en Niza (Francia).

El primero de los dos eventos, GW200105, fue observado por los detectores LIGOLivingston y Virgo. Produjo una fuerte señal en el detector LIGO pero tuvo una pequeña relación señal-ruido en el detector Virgo. El otro detector LIGO, situado en Hanford (Washington), estuvo temporalmente fuera de servicio. Dada la naturaleza de las ondas gravitatorias, el equipo dedujo que la señal fue causada por un agujero negro que colisionó con un objeto compacto de 1,9 masas solares, identificado posteriormente como una estrella de neutrones. Esta fusión tuvo lugar a 900 millones de años luz de distancia.  Debido a que la señal fue fuerte en un solo detector, la ubicación de la fusión en el cielo sigue siendo incierta, situándose en algún lugar dentro de un área que es 34.000 veces el tamaño de una luna llena.

 "Con nuestra sensibilidad actual no podemos identificar realmente los detalles sutiles de la señal que nos permiten saber si estamos presenciando agujeros negros o estrellas de neutrones”, afirma el científico gallego Juan Calderón Bustillo, investigador "la Caixa Junior Leader" en el IGFAE. “Esto fue posible en el caso de GW170817 porque también vimos la contraparte electromagnética (luz). Sin embargo, teniendo en cuenta las masas que esperamos que tengan los agujeros negros y las estrellas de neutrones, concluimos que los objetos más pequeños implicados en estas colisiones son probablemente estrellas de neutrones”.

 El segundo evento, GW200115, fue detectado tanto por los detectores LIGO como por el detector Virgo. GW200115 procede de la fusión de un agujero negro con una estrella de neutrones de 1,5 masas solares que tuvo lugar a unos mil millones de años luz de la Tierra.

 "Como los tres instrumentos observaron este evento, pudimos excluir con mucha más precisión un origen de ruido terrestre: el método de búsqueda PyCBC, desarrollado en el IGFAE, descarta una tasa de falsas alarmas superior a 1 por cada 50.000 años", explica Thomas Dent, líder del programa de ondas gravitatorias en el IGFAE. “Aunque la red de tres detectores también ayuda a acotar la parte del cielo en la que pudo producirse el evento, esta zona seguía siendo casi 3.000 veces más grande que la luna llena”.

 La alerta de ambos eventos saltó poco después de que se detectaran los eventos en ondas gravitatorias y posteriormente buscaron en el cielo los destellos de luz asociados, pero no se encontró ninguno. Esto no es sorprendente debido a la gran distancia a la que se encuentran estas fusiones, lo que significa que cualquier luz procedente de ellas, independientemente de la longitud de onda, sería muy tenue y difícil de detectar incluso con los telescopios más potentes. Además, es probable que las fusiones no emitieran mucha luz en ningún caso porque sus agujeros negros eran lo suficientemente grandes como para tragarse las estrellas de neutrones enteras.

 "No se trata de eventos en los que los agujeros negros se coman las estrellas de neutrones, como el monstruo de las galletas, y arrojen trozos. Ese "lanzamiento" es lo que produciría la luz, y no creemos que eso haya ocurrido en estos casos", afirma Patrick Brady, profesor de la Universidad de Wisconsin-Milwaukee y portavoz de la Colaboración Científica LIGO.

 Anteriormente, la red LIGO-Virgo encontró otras dos candidatas a fusionar estrellas de neutrones con agujeros negros. Un evento llamado GW190814, detectado el 14 de agosto de 2019, implicó 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. Otro evento candidato, llamado GW190426, y detectado el 26 de abril de 2019, se pensó que posiblemente era una fusión de estrella de neutrones y agujero negro, pero también podría ser simplemente el resultado del ruido del detector.

 Tras haber observado con seguridad dos ejemplos de ondas gravitatorias procedentes de agujeros negros que se fusionan con estrellas de neutrones, se estima ahora que, en un radio de mil millones de años luz de la Tierra, se produce aproximadamente una fusión de este tipo al mes.

 "Los grupos de detectores de LIGO, Virgo y KAGRA están mejorando sus detectores para preparar el próximo ciclo de observación, que está previsto que comience en el verano de 2022", afirma Brady. "Con la sensibilidad mejorada, esperamos detectar las ondas de fusión hasta una vez al día y medir mejor las propiedades de los agujeros negros y la materia superdensa que compone las estrellas de neutrones".

 Seis grupos españoles contribuyen al estudio y análisis de las ondas gravitatorias detectadas por LIGO-Virgo, en áreas que van desde el modelado teórico de las fuentes astrofísicas y el análisis de los datos hasta la mejora de la sensibilidad de los detectores para los períodos de observación actuales y futuros. Dos grupos, en la Universitat de les Illes Balears (UIB) y el Instituto Galego de Física de Altas Enerxías (IGFAE) de la Universidad de Santiago de Compostela (USC), forman parte de la Colaboración Científica LIGO; mientras que la Universitat de València (UV), el Instituto de Ciencias del Cosmos de la Universidad de Barcelona (ICCUB), el Institut de Física d’Altes Energies (IFAE) de Barcelona y el Instituto de Física Teórica (IFT) de la Universidad Autónoma de Madrid-CSIC son miembros de Virgo.