Luego, 10 días después, vieron que el mismo acto de recolección de residuos sucedía nuevamente en un sector diferente y distante del cosmos.
Esos triunfos, informados en un artículo publicado el martes en Astrophysical Journal Letters, son los últimos en el campo aún incipiente de la astronomía gravitacional, que está detectando el estiramiento y aplastamiento literal del espacio-tiempo causado por algunos de los eventos más catastróficos del universo. .
«Es la primera vez que hemos podido detectar una estrella de neutrones y un agujero negro colisionando entre sí en cualquier parte del universo», dijo Patrick Brady, profesor de física en la Universidad de Wisconsin-Milwaukee, quien se desempeña como el portavoz de la Colaboración Científica LIGO.
Los astrónomos sospechaban que existían parejas de agujeros negros y estrellas de neutrones. Pero hasta que vieron estas colisiones, estas corazonadas no se confirmaron. El descubrimiento ayuda a completar el conocimiento sobre los sistemas estelares binarios que pueblan el universo, al tiempo que plantea preguntas sobre por qué los astrónomos nunca han visto un par así en nuestra galaxia Vía Láctea.
Durante más de 20 años, LIGO – Observatorio de ondas gravitacionales con interferómetro láser – ha estado buscando estos rumores, una predicción de la teoría de la relatividad general de Einstein. Durante años, los rayos láser en el observatorio, uno en Hanford, Washington, el otro en Livingston, Louisiana, no detectaron nada.
Luego, en septiembre de 2015, ambas ubicaciones de LIGO observaron el tan buscado zumbido de ondas gravitacionales.
Esas ondas fueron generadas por una colisión de dos agujeros negros de tamaño estelar: perforaciones en el tejido espacio-temporal creado cuando las estrellas más masivas explotan como supernovas al final de sus vidas. Los dos agujeros negros orbitaron entre sí, balanceándose cada vez más cerca hasta que finalmente se fusionaron en uno solo.
Dos años más tarde, LIGO detectó la colisión de dos estrellas de neutrones: los restos quemados de estrellas más masivas que el sol pero no lo suficientemente grandes como para colapsar en agujeros negros. Tales colisiones crean la mayor parte del oro y la plata del universo.
Con la ayuda de VIRGO, un observatorio europeo de ondas gravitacionales similar pero más pequeño ubicado en Italia, los astrónomos pudieron identificar la parte del cielo donde ocurrió la explosión, y una serie de telescopios pudieron detectar partículas de luz, a partir de ondas de radio. a los rayos X, que emana de esa bola de fuego.
Los astrónomos habían esperado durante mucho tiempo encontrar una estrella de neutrones orbitando un agujero negro, pero en casi medio siglo de búsquedas en nuestra galaxia, la Vía Láctea, nunca encontraron una. «Así que, en efecto, hemos tenido esta pregunta misteriosa», dijo Brady. «¿Por qué no hemos visto un sistema de estrella de neutrones-agujero negro?»
En 2019, dos detecciones de ondas gravitacionales parecían haber finalmente embolsado esta elusiva cantera astronómica. Pero uno de ellos, en abril de 2019, no resistió el escrutinio. Podría haber sido lo que esperaban que fuera: los retumbos de una colisión de onda de neutrones y agujero negro, o podría haber sido simplemente sacudidas aleatorias y sin sentido en datos imperfectos.
«Creemos que es poco probable que eso fuera realmente una señal astrofísica», dijo Brady. «Así que se sienta ahí como una de estas cosas que podrían ser, pero en este momento no tenemos evidencia suficiente para decir que lo fue».
La segunda detección, el 14 de agosto de 2019, sigue siendo desconcertante. El objeto más grande de la colisión fue definitivamente un agujero negro. El más pequeño tenía una masa 2,6 veces mayor que la del sol. Eso es más grande que cualquier estrella de neutrones que se haya detectado jamás, y más pequeño que cualquier agujero negro que se haya detectado. Los astrónomos siguen sin estar seguros de si fue una estrella de neutrones o un agujero negro.
Las nuevas observaciones de ondas gravitacionales demuestran que estos pares existen, aunque muy lejos de la Vía Láctea. La primera detección de una estrella de neutrones fusionándose con un agujero negro ocurrió el 5 de enero de 2020. La instalación en Hanford estaba temporalmente fuera de línea, por lo que la señal se detectó en Livingston. Un detector similar pero más pequeño en Italia llamado VIRGO detectó una señal débil, lo que proporcionó corroboración.
Al estudiar los cambios en la frecuencia de las ondas gravitacionales, los astrofísicos pudieron determinar las propiedades de los objetos que chocan en los confines del universo.
El agujero negro tenía aproximadamente nueve veces la masa del sol; la estrella de neutrones era más pequeña, pero todavía tenía aproximadamente el doble de la masa de la estrella en la que orbita nuestro mundo. La colisión se produjo a una distancia de unos 900 millones de años luz de la Tierra.
El 15 de enero de 2020, el sitio de Hanford se recuperó y los tres instrumentos detectaron la segunda colisión de un agujero negro y una estrella de neutrones. Este estaba más lejos. Ambos objetos eran un poco más ligeros. La estrella de neutrones tenía aproximadamente 1,5 veces la masa del sol y el agujero negro tenía aproximadamente seis veces la masa del sol.
A diferencia de la colisión de 2017 de dos estrellas de neutrones, los telescopios no pudieron detectar ninguna partícula de luz de las explosiones. Los agujeros negros parecen haber sido lo suficientemente grandes como para tragar las estrellas de neutrones rápidamente, reduciendo las posibilidades de emisiones detectables.
Alessandra Buonanno, directora del Instituto Max Planck de Física Gravitacional en Potsdam, Alemania, y miembro del equipo científico de LIGO, dijo que las colisiones generalmente encajan con lo que esperaban encontrar. “No es algo que dirías sorprendentemente inesperado”, dijo.
Los astrofísicos no pudieron identificar los signos de los agujeros negros que desgarraban las estrellas de neutrones antes de tragarlas. Las fuerzas de marea de un agujero negro en una estrella de neutrones dirían el diámetro de la estrella de neutrones y eso, a su vez, indicaría de qué está hecho.
Pero a medida que se observan más colisiones de este tipo, surgirán patrones y aumentarán las posibilidades de discernir más detalles.
«Realmente esperamos que esto suceda en el futuro», dijo Zsuzsanna A. Marka, científica del Laboratorio de Astrofísica de Columbia en la Universidad de Columbia que trabaja en LIGO. «¿El asombroso laboratorio cósmico agregará algo sobre el funcionamiento interno de una estrella de neutrones?»
Brady dijo que una de las preguntas restantes era por qué no se han encontrado pares de neutrones y agujeros negros dentro de la Vía Láctea. Es posible que las técnicas de búsqueda no fueran del todo adecuadas, o quizás los pares se fusionen rápidamente y no queden más en nuestra galaxia. «Esa es realmente ahora una especie de pregunta abierta», dijo.
VIRGO está experimentando actualizaciones que aumentarán su sensibilidad. Está previsto que la próxima ronda de observaciones de LIGO y VIRGO comience no antes de junio del próximo año. Se pondrá en funcionamiento un tercer detector de ondas gravitacionales en Japón y se está planificando otro instrumento LIGO en India.
Giovanni Losurdo, director de investigación del Instituto de Física Nuclear en Italia y portavoz de VIRGO, dijo que en los próximos años los astrónomos pueden estar detectando eventos de ondas gravitacionales, incluidos los mucho más débiles, a un ritmo asombroso con un promedio de uno por día.
«Esperamos que las estrellas de neutrones en rotación emitan ondas gravitacionales periódicas, pero aún no las hemos detectado», dijo Losurdo. «Esperamos que la explosión de una supernova estelar esté emitiendo ondas gravitacionales, pero aún no las hemos detectado».
También habrá sorpresas. “Fuentes que aún no se han predicho, pero que podemos descubrir a través de ondas gravitacionales”, dijo Losurdo. «Son parte del universo oscuro».
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