por Rory Smith
Una de las mejores cosas de ser astrónomo es poder descubrir algo nuevo sobre el universo. De hecho, quizás lo único mejor sea descubrirlo dos veces. Y eso es exactamente lo que mis colegas y yo hemos hecho, al hacer dos observaciones separadas, con solo diez días de diferencia, de un tipo completamente nuevo de fenómeno astronómico: una estrella de neutrones que rodea un agujero negro antes de ser devorada.
Las dos observaciones fueron realizadas en enero de 2020, por el Observatorio de ondas gravitacionales del interferómetro láser (LIGO) y el Observatorio Virgo , los cuales detectan ondas gravitacionales del cosmos distante.
Después de 18 meses de análisis minucioso, nuestros descubrimientos se publicaron en The Astrophysics Journal Letters . Las nuevas observaciones abren nuevas vías para estudiar el ciclo de vida de las estrellas, la naturaleza del espacio-tiempo y el comportamiento de la materia a presiones y densidades extremas.
La primera observación de un sistema de estrella de neutrones-agujero negro se realizó el 5 de enero de 2020. LIGO y Virgo observaron ondas gravitacionales (distorsiones en la estructura misma del espacio-tiempo) producidas por los últimos 30 segundos de la órbita agonizante de la estrella de neutrones y agujero negro, seguido de su inevitable colisión. El descubrimiento se llama GW200105.
Sorprendentemente, solo diez días después, LIGO y Virgo detectaron ondas gravitacionales de una segunda colisión entre una estrella de neutrones y un agujero negro. Este evento se llama GW200115. Ambas colisiones ocurrieron hace unos 900 millones de años, mucho antes de que aparecieran los primeros dinosaurios en la Tierra.
Las estrellas de neutrones y los agujeros negros se encuentran entre los objetos más extremos del universo. Son las reliquias fósiles de estrellas muertas masivas. Cuando una estrella que es más de ocho veces más masiva que el Sol se queda sin combustible, sufre una espectacular explosión llamada supernova. Lo que queda puede ser una estrella de neutrones o un agujero negro.
Las estrellas de neutrones son típicamente entre 1,5 y 2 veces más masivas que el Sol, pero son tan densas que toda su masa está empaquetada en un objeto del tamaño de una ciudad. Con esta densidad, los átomos ya no pueden mantener su estructura y se disuelven en una corriente de quarks y gluones libres: los componentes básicos de los protones y neutrones.
Los agujeros negros son aún más extremos. No existe un límite superior para la masa de un agujero negro, pero todos los agujeros negros tienen dos cosas en común: un punto sin retorno en su superficie llamado “horizonte de eventos”, del cual ni siquiera la luz puede escapar, y un punto en su centro se llama una “singularidad”, en la que las leyes de la física, tal como las entendemos, se rompen.
Es justo decir que los agujeros negros son un enigma. Uno de los santos griales de la física y la astronomía del siglo XXI es encontrar una comprensión más profunda de las leyes de la naturaleza mediante la observación de estos objetos extraños y extremos.
Un nuevo tipo de sistema estelar
Durante mucho tiempo se pensó que existían estrellas de neutrones que orbitan a sus compañeros de agujeros negros. LIGO y Virgo los habían estado buscando durante más de una década, pero seguían siendo esquivos hasta ahora.
Entonces, ¿por qué estamos tan seguros de que ahora no hemos visto uno de esos sistemas, sino dos?
Cuando LIGO y Virgo observan ondas gravitacionales, la primera pregunta en nuestras mentes es “¿qué las causó?” Para averiguarlo, usamos dos cosas: nuestros datos de observación y simulaciones de supercomputadora de diferentes tipos de eventos astronómicos que podrían explicar de manera plausible esos datos.
Al comparar las simulaciones con nuestras observaciones reales, buscamos las características que mejor se ajustan a nuestros datos, centrándonos en las probables y descartando las improbables.
Para el primer descubrimiento (GW200105), determinamos que la fuente más probable de las ondas gravitacionales eran las últimas órbitas y la eventual colisión entre un objeto de aproximadamente 8,9 veces la masa del Sol y un objeto de aproximadamente 1,9 veces la masa del Sol. Sol. Dadas las masas involucradas, la explicación más plausible es que el objeto más pesado es un agujero negro y el más liviano es una estrella de neutrones.
De manera similar, a partir del segundo (GW200115), determinamos que su fuente más probable fueron las últimas órbitas y la colisión de un agujero negro de 5.7 masas solares con una estrella de neutrones de 1.5 masas solares.
No existe una prueba definitiva de que los objetos más ligeros sean estrellas de neutrones y, en principio, podrían ser agujeros negros muy ligeros, aunque consideramos que esta explicación es poco probable. Con mucho, la mejor hipótesis es que nuestras nuevas observaciones son consistentes con la fusión de estrellas de neutrones y agujeros negros.
Búsqueda de fósiles estelares
Nuestros descubrimientos tienen varias implicaciones interesantes. Los sistemas de estrellas de neutrones y agujeros negros nos permiten reconstruir la historia evolutiva de las estrellas. Los astrónomos de ondas gravitacionales son como cazadores de fósiles estelares, que utilizan las reliquias de las estrellas explotadas para comprender cómo se forman, viven y mueren las estrellas masivas.
Hemos estado haciendo esto durante varios años con las observaciones de LIGO y Virgo de pares de agujeros negros y pares de estrellas de neutrones . Los pares más raros recién descubiertos, que contienen uno de cada uno, son piezas fascinantes del registro fósil estelar.
Por primera vez, hemos medido directamente la velocidad a la que las estrellas de neutrones se fusionan con los agujeros negros: creemos que es probable que haya decenas o cientos de miles de colisiones de este tipo en todo el universo por año. Con más observaciones, mediremos la tasa con mayor precisión.
¿Qué les sucede a las estrellas de neutrones después de haber sido devoradas? Ahora estamos realmente mirando las leyes de la naturaleza hasta 11. Cuando las estrellas de neutrones se fusionan con los agujeros negros, se deforman, imprimiendo información sobre su forma exótica de materia en las ondas gravitacionales que observamos en la Tierra.
Esto puede revelar la composición de las estrellas de neutrones, lo que a su vez nos dice cómo se comportan los quarks y los gluones a una presión y densidad extremas. No nos dice qué está sucediendo detrás del horizonte de eventos del agujero negro, aunque otro aspecto de nuestros descubrimientos es que podemos buscar indicios de nueva física en los agujeros negros en las señales de ondas gravitacionales.
Cuando LIGO y Virgo reanuden la observación a mediados de 2022 después de una actualización para aumentar aún más su sensibilidad, veremos más colisiones entre estrellas de neutrones y agujeros negros. En la próxima década, esperamos acumular miles de detecciones de ondas gravitacionales más.
Con el tiempo, esperamos reconstruir las leyes de la naturaleza que nos ayudarán a comprender el funcionamiento interno de los objetos más extremos e impenetrables del universo.
Este artículo se ha vuelto a publicar de The Conversation con una licencia de Creative Commons. Lea el artículo original .
Crédito de la imagen: Carl Knox, OzGrav-Swinburne University a través de LIGO Caltech