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ASTRONOMÍA. Publican el catálogo más grande de eventos de ondas gravitacionales jamás ensamblado

 

Impresión artística de una estrella de neutrones y un agujero negro a punto de fusionarse. Fuente: Carl Knox, OzGrav / Swinburne

El catálogo más grande de eventos de ondas gravitacionales jamás reunido ha sido publicado por una colaboración internacional que incluye a investigadores de la Penn State University. 

Las ondas gravitacionales son ondas en el espacio-tiempo producidas como réplicas de grandes eventos astronómicos, como la colisión de dos agujeros negros. Usando una red global de detectores, el equipo de investigación identificó 35 eventos de ondas gravitacionales, elevando el número total de eventos observados a 90 desde que comenzaron los esfuerzos de detección en 2015.

Los nuevos eventos de ondas gravitacionales se observaron entre noviembre de 2019 y marzo de 2020, utilizando tres detectores internacionales: los dos detectores del Observatorio de ondas gravitacionales con interferómetro láser avanzado ( LIGO ) en el estado de Luisiana y Washington en los EE. UU. Y el detector Virgo avanzado en Italia. Los datos de estos tres detectores fueron analizados cuidadosamente por un equipo de científicos de LIGO Scientific Collaboration, Virgo Collaboration y KAGRA Collaboration. El catálogo de nuevos eventos de la segunda mitad de la tercera serie de observación de LIGO se describe en un nuevo artículo.

Nuevas detecciones

De los 35 eventos detectados, 32 tenían más probabilidades de ser fusiones de agujeros negros: dos agujeros negros girando en espiral uno alrededor del otro y finalmente uniéndose, un evento que emite un estallido de   ondas gravitacionales .

Los agujeros negros involucrados en estas fusiones tienen una variedad de tamaños, el más masivo de los cuales tiene alrededor de 90 veces la masa de nuestro sol. Varios de los agujeros negros resultantes que se formaron a partir de estas fusiones superan 100 veces la masa de nuestro sol y se clasifican como agujeros negros de masa intermedia. Esta es la primera observación de este tipo de agujero negro, que los astrofísicos habían teorizado durante mucho tiempo.

Es probable que dos de los 35 eventos sean fusiones de estrellas de neutrones con agujeros negros, un tipo de evento mucho más raro y que se  descubrió por primera vez  durante la última serie de observación de LIGO y Virgo. Una de estas fusiones recién detectadas parece mostrar un agujero negro masivo de aproximadamente 33 veces la masa de nuestro sol que choca con una estrella de neutrones de muy baja masa, aproximadamente 1,17 veces la masa de nuestro sol. Esta es una de las estrellas de neutrones de menor masa jamás detectada, utilizando ondas gravitacionales u observaciones electromagnéticas.

Las masas de los agujeros negros y las estrellas de neutrones son pistas clave de cómo las estrellas masivas viven y finalmente mueren en explosiones de supernovas. 

Durante la segunda mitad de la tercera serie de observación de LIGO, un equipo internacional de investigadores, incluidos científicos de Penn State, ha observado 35 nuevos eventos cósmicos que produjeron ondas gravitacionales: ondas en el espacio-tiempo. Estos eventos incluyen colisiones de agujeros negros e incluso de agujeros negros con estrellas de neutrones. Cada línea de este gráfico corresponde a una fusión binaria compacta, incluidos los dos objetos que se fusionan y el remanente final de la fusión. Los agujeros negros se muestran en azul, las estrellas de neutrones en naranja y los objetos compactos de naturaleza incierta en gris. Fuente: Aaron M. Geller, Northwestern University y Frank Elavsky, LIGO-Virgo

El evento de onda gravitacional final provino de la fusión de un agujero negro con una masa alrededor de 24 veces la masa de nuestro sol con un agujero negro muy ligero o una estrella de neutrones muy pesada de alrededor de 2,8 veces la masa de nuestro sol. El equipo de investigación ha deducido que es más probable que sea un agujero negro, pero no puede estar completamente seguro. Un evento ambiguo similar fue descubierto por LIGO y Virgo en agosto de 2019. La masa del objeto más liviano es desconcertante, ya que los científicos esperan que lo más masivo que puede ser una estrella de neutrones antes de colapsar para formar un agujero negro es alrededor de 2.5 veces la masa de nuestro sol. Sin embargo, no se han descubierto agujeros negros con observaciones electromagnéticas con masas por debajo de aproximadamente 5 masas solares. Esto llevó a los científicos a teorizar que las estrellas no colapsan para formar agujeros negros en este rango.

Progreso monumental

Desde la primera detección de ondas gravitacionales en 2015, el número de detecciones ha aumentado a un ritmo vertiginoso. En cuestión de años, los científicos de ondas gravitacionales han pasado de observar estas vibraciones en la estructura del universo por primera vez, a ahora observar muchos eventos cada mes, e incluso múltiples eventos en el mismo día. Durante esta tercera serie de observación, los detectores de ondas gravitacionales alcanzaron su mejor rendimiento gracias a un programa de actualizaciones y mantenimiento constantes para mejorar el rendimiento de los instrumentos pioneros.

A medida que aumenta la tasa de detección de ondas gravitacionales, los científicos también han mejorado sus técnicas analíticas para garantizar la alta precisión de los resultados. El creciente catálogo de observaciones permitirá a los astrofísicos estudiar las propiedades de los agujeros negros y las estrellas de neutrones con una precisión sin precedentes.

En otro avance significativo en esta carrera reciente, a los pocos minutos de las detecciones iniciales de ondas gravitacionales, los astrónomos emitieron una llamada a otros observatorios y detectores de todo el mundo. Esta red de detectores de neutrinos y observatorios electromagnéticos se centró en el área del cielo de donde venían las ondas, para tratar de identificar el evento fuente. Los eventos cósmicos que producen ondas gravitacionales también pueden producir neutrinos y emisiones electromagnéticas que, si se detectan, pueden proporcionar información adicional sobre el evento cósmico. Sin embargo, ninguna de las ondas gravitacionales recientemente anunciadas tiene una contraparte reportada.

Para la próxima carrera de observación completa, que se espera que comience el próximo verano, el observatorio KAGRA en Japón también se unirá a la búsqueda. Ubicada en lo profundo de una montaña, KAGRA completó una primera carrera de observación exitosa en 2020, pero aún no se ha unido a LIGO y Virgo para realizar observaciones conjuntas. Con más detectores, los eventos potenciales se pueden localizar con mayor precisión.

Más información: “GWTC-3: Compact Binary Coalescences Observed by LIGO and Virgo During the Second Part of the Third Observing Run” by The LIGO Scientific Collaboration, the Virgo Collaboration and the KAGRA Collaboration, 5 November 2021, General Relativity and Quantum CosmologyarXiv:2111.03606

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