La UIB participa en la detección de la fusión entre una estrella de neutrones y un objeto compacto desconocido

Un equipo de investigadores del grupo GRAVITY de la Universitat de las Illes Balears ha participado en la detección de la señal de ondas gravitacionales bautizada como GW230529 y fruto de la fusión entre una estrella de neutrones y un objeto compacto desconocido. La detección fue realizada por los detectores de la colaboración LIGO-Virgo-KAGRA el pasado 29 de mayo (y una de las investigadoras de la UIB precisamente estaba allí en el turno de guardia en aquel momento).

La colaboración científica internacional LIGO-Virgo-KAGRA ha anunciado hoy de forma conjunta este hito, uno más de los conseguidos desde que en febrero de 2016 se anunciara la detección de la primera onda gravitacional y se anunciara el inicio de una nueva era en el conocimiento del universo. El grupo GRAVITY, liderado por Alicia Sintes, es el único grupo español que ha participado en todas las detecciones las detecciones de ondas gravitacionales a través de la Colaboración Científica LIGO. Además, 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. Una de las investigadores del grupo GRAVITY formaba parte del turno de guardia que detectó esta última onda.

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En este última deteccion se han utilizado diversos modelos de forma de onda desarrollados por el grupo GRAVITY-UIB. 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 el doctor Sascha Husa, es uno de los modelos de referencia usado para los resultados principales del artículo científico donde se recoge el hallazgo.

Otro modelo de sistemas binarios formados por estrellas de neutrones (IMRPhenomXP_NRTidalv2) desarrollado recientemente en la UIB por la doctora 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, la doctora Anna Heffernan participó de manera directa en las estimaciones iniciales de los parámetros de la señal GW230529, ya que justamene era una de las seis personas que estaba de guardia cuando se produjo la detección, a las 19.15 horas CEST del 29 de mayo. La doctora 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, el doctor David Keitel, ha participado en el estudio del 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.

¿Qué tiene de particular está última onda gravitacional detectada? Los investigadores estiman que habría sido causada por la fusión de una estrella de neutrones de entre 1,2 y 2 masas solares y un objeto compacto desconocido de entre 2,5 y 4,5 masas solares, mayor a la esperada para ser una estrella de neutrones y menor que un agujero negro. Según ha informado la UIB, 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 tres y cinco masas solares. Hasta ahora, las estrellas de neutrones detectadas tienen menos de 3 masas solares, mientras que los agujeros negros tendrían más de cinco.

Observaciones recientes de ondas gravitacionales habrían hecho pensar a los investigadores en 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.

Las fusiones de estrellas de neutrones y agujeros negros 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. 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 modelo".

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.

El grupo GRAVITY, liderado por la doctora Alicia Sintes, es miembro del Instituto de Aplicaciones Computacionales de Código Comunitario (IAC3) de la UIB y del Instituto de Estudios Espaciales de Cataluña (IEEC). Tiene el apoyo de la Agencia Estatal de Investigación de España; el MCIN con financiación de la Unión Europea NextGeneration; la Comunitat Autonòma de les Illes Balears a través de la Direcció General de Recerca, Innovació i Transformació Digital con fondos de la Ley del Impuesto de Estancias Turísticas; la conselleria d'Economia, Hisenda i Innovació, cofinanciado por la Unión Europea y el Programa Operativo FEDER 2021-2027 de Illes Balears, “FEDER Una forma de hacer Europa”; y la Red Española de Supercomputación.

La observación continúa

El anuncio de la publicación de los resultados de GW230529 se realiza en vísperas que la colaboración LIGO-Virgo-KAGRA reanude la segunda parte del cuarto período de observación (O4b), a partir del 10 de abril de 2024 y hasta febrero de 2025, con una sensibilidad mejorada.

Mientras continúe la observación, 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 de observación, en febrero de 2025, el número total de señales de ondas gravitacionales observadas podría superar las 200.

Observatorios de ondas gravitacionales

LIGO es financiado por el NSF y operado por Caltech y MIT, que concebieron y construyeron el proyecto. El apoyo económico para el proyecto Advanced LIGO fue liderado por el NSF, junto a Alemania (Sociedad Max Planck), el Reino Unido (Science and Technology Facilities Council) y Australia (Australian Research Council), que realizaron compromisos y contribuciones significativas al proyecto. Más de 1600 científicos de todo el mundo participan en el esfuerzo conjunto a través de la Colaboración Científica LIGO, que incluye la Colaboración GEO.

La Colaboración Virgo está compuesta actualmente por unos 880 miembros de 152 instituciones de 17 países, mayoritariamente europeos. El Observatorio Europeo Gravitacional (EGO) acoge al detector Virgo cerca de Pisa en Italia, y ha sido financiado por el Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) en Francia, el Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) en Italia, y Nationaal instituut voor subatomaire fysica (Nikhef) en los Países Bajos.

KAGRA es un interferómetro láser con un brazo de 3 km de longitud situado en Kamioka, Gifu (Japón). El instituto anfitrión es el Institute for Cosmic Ray Research (ICRR) de la Universidad de Tokio, y el proyecto está copatrocinado por National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ) y High Energy Accelerator Research Organization (KEK). La colaboración de KAGRA se compone de más de 400 miembros de 128 institutos de 17 países o regiones.