En mayo de 2023, poco después del inicio de la cuarta carrera de observación LIGO-Virgo-KAGRA, el detector LIGO Livingston observó una señal de ondas gravitacionales procedente de la colisión de lo que probablemente sea una estrella de neutrones con un objeto compacto que tiene entre 2.5 y 4.5 veces la masa de nuestro Sol. Las estrellas de neutrones y los agujeros negros son ambos objetos compactos, los remanentes densos de explosiones estelares masivas.
Lo que hace intrigante esta señal, llamada GW230529, es la masa del objeto más pesado. Se encuentra dentro de un posible vacío de masa entre las estrellas de neutrones más pesadas conocidas y los agujeros negros más ligeros. La señal de ondas gravitacionales por sí sola no puede revelar la naturaleza de este objeto.
Detecciones futuras de eventos similares, especialmente aquellos acompañados de ráfagas de radiación electromagnética, podrían ser clave para resolver este misterio cósmico.
Conoce a GW230529
«Esta detección, la primera de nuestros emocionantes resultados de la cuarta carrera de observación LIGO-Virgo-KAGRA, revela que puede haber una mayor tasa de colisiones similares entre estrellas de neutrones y agujeros negros de baja masa de la que pensábamos anteriormente», dice la Dra. Jess McIver, Profesora Asistente en la Universidad de British Columbia y Portavoz Adjunta de la Colaboración Científica de LIGO.
Un artículo científico que describe más a fondo este descubrimiento y está disponible gratuitamente para el público aquí. Un breve «Resumen Científico» del artículo también está disponible aquí, junto con múltiples traducciones.
El vacío de masa entre estrellas de neutrones y agujeros negros
Antes de la detección de ondas gravitacionales en 2015, las masas de los agujeros negros de masa estelar se encontraban principalmente utilizando observaciones de rayos X, mientras que las masas de las estrellas de neutrones se encontraban utilizando observaciones de radio. Las medidas resultantes cayeron en dos rangos distintos con un vacío entre ellos de aproximadamente 2 a 5 veces la masa de nuestro Sol. Con el tiempo, un pequeño número de mediciones han invadido el vacío de masa, que sigue siendo objeto de un intenso debate entre los astrofísicos.
El análisis de la señal GW230529 muestra que provino de la fusión de dos objetos compactos, uno con una masa entre 1.2 y 2.0 veces la de nuestro Sol y el otro ligeramente más de dos veces más masivo. Aunque la señal de ondas gravitacionales no proporciona suficiente información para determinar con certeza si estos objetos compactos son estrellas de neutrones o agujeros negros, parece probable que el objeto más ligero sea una estrella de neutrones y el objeto más pesado un agujero negro. Los científicos de la Colaboración LIGO-Virgo-KAGRA tienen confianza en que el objeto más pesado se encuentra dentro del vacío de masa.
Las observaciones de ondas gravitacionales ahora han proporcionado casi 200 medidas de masas de objetos compactos. De estos, solo otra fusión puede haber implicado un objeto compacto en el vacío de masa: la señal GW190814 provino de la fusión de un agujero negro con un objeto compacto que excede la masa de las estrellas de neutrones más pesadas conocidas y posiblemente está dentro del vacío de masa.
“Aunque evidencias previas de objetos en el vacío de masa se han informado tanto en ondas gravitacionales como electromagnéticas, este sistema es especialmente emocionante porque es la primera detección de ondas gravitacionales de un objeto en el vacío de masa emparejado con una estrella de neutrones”, dice la Dra. Sylvia Biscoveanu de la Universidad Northwestern. “La observación de este sistema tiene importantes implicaciones tanto para las teorías de evolución binaria como para los contrapartes electromagnéticos de fusiones de objetos compactos”.
La cuarta carrera de observación con detectores más sensibles
La tercera carrera de observación de los detectores de ondas gravitacionales terminó con gran éxito en la primavera de 2020, elevando el número de detecciones conocidas de ondas gravitacionales a 90. Antes del inicio de la cuarta carrera de observación O4 el 24 de mayo de 2023, los investigadores de LIGO-Virgo-KAGRA hicieron mejoras en los detectores, la ciberinfraestructura y el software de análisis que les permiten detectar señales desde más lejos y extraer más información sobre los eventos extremos en los que se generan las ondas.
Tan solo cinco días después del inicio de O4, las cosas se pusieron realmente emocionantes. El 29 de mayo de 2023, la señal de ondas gravitacionales GW230529 pasó por el detector LIGO Livingston. En cuestión de minutos, los datos del detector fueron analizados y se publicó una alerta (designada S230529ay) anunciando públicamente la señal. Los astrónomos que recibieron la alerta fueron informados de que una estrella de neutrones y un agujero negro probablemente se fusionaron a unos 650 millones de años luz de la Tierra. Desafortunadamente, no se pudo determinar la dirección de la fuente porque solo un detector de ondas gravitacionales estaba observando en el momento de la señal.
La cuarta carrera de observación está planeada para durar 20 meses, incluyendo un par de meses de descanso para llevar a cabo el mantenimiento de los detectores y realizar una serie de mejoras necesarias. Para el 16 de enero de 2024, cuando comenzó el descanso de comisionamiento, se habían identificado un total de 81 candidatos a señales significativas. GW230529 es el primero de estos en ser publicado después de una investigación detallada.
Reanudando la carrera de observación
La cuarta carrera de observación se reanudará el 10 de abril de 2024 con los detectores LIGO Hanford, LIGO Livingston y Virgo operando juntos. La carrera continuará hasta febrero de 2025 sin más interrupciones planificadas en la observación. La sensibilidad de los detectores debería aumentar ligeramente después del descanso.
Mientras la carrera de observación continúa, los investigadores de LIGO-Virgo-KAGRA están analizando los datos de la primera mitad de la carrera y revisando los otros 80 candidatos a señales significativas que ya han sido identificados. Para finales de la cuarta carrera de observación en febrero de 2025, se espera que el número total de señales observadas de ondas gravitacionales supere las 200.
Observatorios de ondas gravitacionales
LIGO está financiado por la NSF y operado por Caltech y MIT, que concibieron y construyeron el proyecto. El apoyo financiero para el proyecto Advanced LIGO fue liderado por la NSF con Alemania (Sociedad Max Planck), el Reino Unido (Consejo de Instalaciones Científicas y Tecnológicas) y Australia (Consejo Australiano de Investigación) realizando compromisos y contribuciones significativas al proyecto. Más de 1,600 científicos de todo el mundo participan en el esfuerzo a través de la Colaboración Científica de LIGO, que incluye la Colaboración GEO. Se enumeran socios adicionales en https://my.ligo.org/census.php.
La Colaboración Virgo está compuesta actualmente por aproximadamente 880 miembros de 152 instituciones en 17 países diferentes (principalmente europeos). El Observatorio Gravitacional Europeo (EGO) alberga el detector Virgo cerca de Pisa, Italia, y está financiado por el Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) en Francia, el Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) en Italia y el Instituto Nacional de Física Subatómica (Nikhef) en los Países Bajos. Se puede encontrar una lista de los grupos de colaboración de Virgo en: https://www.virgo-gw.eu/about/scientific-collaboration/. Se puede encontrar más información en el sitio web de Virgo en https://www.virgo-gw.eu.
KAGRA es el interferómetro láser con una longitud de brazo de 3 km en Kamioka, Gifu, Japón. El instituto anfitrión es el Instituto de Investigación de Rayos Cósmicos (ICRR) de la Universidad de Tokio, y el proyecto es co-organizado por el Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ) y la Organización de Investigación de Aceleradores de Alta Energía (KEK). La colaboración KAGRA está compuesta por más de 400 miembros de 128 institutos en 17 países/regiones. La información de KAGRA para el público en general se encuentra en el sitio web https://gwcenter.icrr.u-tokyo.ac.jp/en/. Los recursos para investigadores son accesibles desde http://gwwiki.icrr.u-tokyo.ac.jp/JGWwiki/KAGRA.
Colaboración española
Seis grupos españoles contribuyen al estudio y análisis de las ondas gravitacionales 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.
La contribución española está financiada por la Agencia Estatal de Investigación, Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades, a través de los programas AYA y FPN, programas de Excelencia Severo Ochoa y María de Maeztu, programas de financiación de la Unión Europea, Fondos FEDER, Fondo Social Europeo, Conselleria de Fons Europeus, Universitat i Cultura y la Dirección General de Política Universitaria e Investigación del Govern de les Illes Balears, Conselleria d’Innovació, Universitats, Ciència i Societat Digital de la Generalitat Valenciana, programa CERCA de la Generalitat de Catalunya, Programa Operativo FEDER Galicia 2014-2020, Xunta de Galicia, y tienen el apoyo de la Red Española de Supercomputación (RES).