Xoc de gegants a l’espai, el forat negre que engoleix l’estel de neutrons

Detecten per primera vegada el xoc d’un forat negre amb una estrella de neutrons. El registre de les seves ones gravitacionals permetran estudiar fenòmens complexos de l’univers, com els components bàsics de la matèria i el funcionament de l’espai i el temps.

Els científics han documentat per primera vegada un dels fenòmens més violents i rars de l’univers: la fusió d’un forat negre amb una estrella de neutrons. Aquest procés s’havia predit, però mai fins ara s’havia pogut observar, en una investigació publicada aquest dimarts a Astrophysical Journal Letters, en què han intervingut més de mil científics del consorci europeu VIRGO, el nord-americà LIGO i el japonès KAGRA.

Els dies 5 i 15 de gener del 2020 es van detectardues ones gravitacionalspel procés de fusió de “parells mixtos”, formats per una estrella de neutrons i un forat negre. Els dos sistemes giraven l’un al voltant de l’altre i es van ajuntar en un únic objecte compacte.

“Fins ara hem observat parells de forats negres o parells d’estrelles de neutrons mitjançant observacions de radiació electromagnètica o a través d’ones gravitatòries. El parell de forat negre i estrella de neutrons era el “binari desaparegut” que ens faltava als astrònoms”, ha explicat la investigadora de VIRGO Astrid Lamberts al laboratori Artemis.

Aquests senyals gravitacionals guarden informació valuosa sobre les característiques físiques dels sistemes, com ara la massa i la distància dels dos parells mixtos, així com els mecanismes físics que els han generat i que els fan fusionar.

En aquesta simulació del xoc dels sistemes del 15 de gener de 2020 es pot veure com es converteix un “parell mixt” en un objecte compacte:

Fa 1.000 milions d’anys  

L’anàlisi de les ones diu que el primer xoc es va produir fa uns 900 milions d’anys, i que la massa del forat negre i de l’estrella de neutrons va ser aproximadament 8,9 vegades i 1,9 vegades més gran que el Sol.

Pel que fa al segon, el 15 de gener, els investigadors dels consorcis científics estimen que els dos objectes compactes tenien masses al voltant de 5,7 i 1,5 vegades més que el Sol i que es van fusionar fa gairebé 1.000 milions d’anys.

Els resultats permetran als investigadors treure les primeres conclusions sobre l’origen d’aquests rars sistemes binaris i la freqüència amb què es fusionen. A més, desvelaran alguns dels misteris més complexos de l’univers, com els components bàsics de la matèria i el funcionament de l’espai i el temps.

La llum de la col·lisió, però, no va ser detectada pels astrònoms degut a la distància en què es troben les fusions. Qualsevol llum, independentment de la longitud d’ona, seria molt tènue i difícil de detectar fins i tot amb els telescopis més potents.

També és probable que les fusions no emetessin llum perquè els forats negres eren prou grans per empassar-se les estrelles de neutrons senceres.

Representació artística d’una estrella de neutrons que es fusiona amb un forat negre (Soheb Mandhai / LIGO)

Una predicció d’Einstein

Aquesta observació permetrà estudiar la física dels forats negres i les fusions estel·lars dona l’oportunitat de posar a prova les lleis fonamentals de la física en condicions extremes, que no es poden reproduir a la Terra.

Albert Einstein va predir a la seva teoria de la relativitat general l’existència de les ones gravitacionals, una mena d’onades o petites arrugues que es produeixen en l’espai-temps de l’univers, a causa de successos de gran violència que generen massives quantitats d’energia com l’explosió d’una estrella.

No van ser detectades per primera vegada fins al 2015. Un avenç científic fonamental per al coneixement de l’univers que va valer el Premi Nobel als nord-americans Rainer Weiss, Barry Barish i Kip Torne.

“LIGO i VIRGO continuen registrant col·lisions catastròfiques que mai s’havien observat fins ara, amb l’objectiu de conèixer molt més la profunditat de l’univers en què vivim”, va afirmar Giovanni Losurdo, portaveu de VIRGO i investigador de l’Institut Nacional de Física Nuclear d’Itàlia.

https://www.ccma.cat/324/detecten-per-primera-vegada-el-xoc-dun-forat-negre-amb-una-estrella-de-neutrons/noticia/3107306/

https://www.lavozdegalicia.es/noticia/ciencia/2021/06/29/choque-gigantes-espacio-agujero-negro-engulle-estrella-neutrones/00031624966734781852669.htm

El Instituto Galego de Física de Altas Enerxías participa en la primera detección de ondas gravitacionales, los primeros temblores del universo, a partir de la colisión de estos dos eventos supermasivos. Es algo nunca visto que los astrofísicos llevaban décadas buscando

29 jun 2021 . Actualizado a las 15:09 h.

Imagínese que una estrella de neutrones, la última etapa en la evolución de una estrella supergigante tras su explosión en forma de supernova, tuviera el tamaño de un terrón de azúcar. Algo tan insignificante pesaría centenares de miles de toneladas. Son los objetos más densos que se conocen en el universo. Suponga ahora que una de ellas colisiona con un agujero negro, más masivo aún, solo que no está formado por materia. Es como un hueco en el espacio. Pues la fusión de estos dos elementos supermasivos es lo que acaba de detectar el observatorio de Ondas Gravitatorias del Interferómetro Láser (Ligo). Y no solo una vez, sino en dos ocasiones separadas por diez días.

Pero aún hay más. Estos eventos extremos arrugaron el espacio produciendo ondas gravitacionales —las ondulaciones en el tejido espacio-tiempo que suponen en cierta medida el primer temblor del universo tras el big bang— , al menos 900 millones de años luz antes de llegar a la Tierra. Es la primera vez que estas sacudidas se detectan tras la colisión de un agujero negro con una estrella de neutrones, a la que acabó engullendo.

Se trata de un hallazgo excepcional que acaba de ser publicado en The Astrophysical Journal Letters y en el que ha tenido una destacada participación el Instituto Galego de Física de Altas Enerxías (Igfae) de la Universidade de Santiago. El equipo, liderado por Thomas Dent, coordinador del programa de ondas gravitatorias en el centro, y por Juan Calderón Bustillo, investigador “la Caixa Junior Leader” del mismo plan, aportó el programa que ha permitido la detección de las ondas.

Elena Mora

«Comparamos las señales que recibimos con un montón de modelos para poder identificarlas. Sería algo así como la aplicación Shazam que se utiliza para identificar canciones», explica Calderón Bustillo. Solo que en este caso el algoritmo rastrea las ondas gravitacionales.

Las señales recibidas, sin embargo, aún son débiles, por lo que «aún no podemos asegurar al 100 % que se trata de esta colisión». Si se confirma con nuevas observaciones se podrá intentar aclarar uno de los grandes misterios de la física: cómo se comporta la materia en una estrella de neutrones. O, lo que es lo mismo, cómo funciona con una presión tan enorme. «Son sucesos tan extremos que no se pueden reproducir en laboratorio. Y no sabemos qué tipo de ecuaciones rigen en el comportamiento de la materia en una estrella de neutrones», explica Calderón Bustillo.

Los astrónomos llevan décadas buscando estrellas de neutrones que orbiten alrededor de agujeros negros en la Vía Láctea, pero hasta ahora no se ha encontrado ninguno. Sí se han detectado ondas gravitacionales tras la colisión de dos agujeros negros o de dos estrellas de neutrones, pero nunca con la combinación de ambos eventos extremos.

«Con este nuevo descubrimiento de fusiones de estrellas de neutrones y agujeros negros fuera de nuestra galaxia hemos encontrado el tipo de sistema binario que faltaba. Por fin podemos empezar a entender cuántos de estos sistemas existen, con qué frecuencia se fusionan y por qué no hemos vistos aún ejemplos en la Vía Láctea», apunta Astrid Lamberts, investigadora del CNRS en el Observatorio de la Costa Azul, en Niza, y una de las firmantes del artículo.

La primera fusión, detectada el 5 de enero, involucró a un agujero negro de unas 9 veces la masa de nuestro Sol y a una estrella de neutrones de 1,9 masas solares. La segunda fusión se observó el 15 de enero y en lla participaron un agujero negro de 6 masas solares y una estrella de neutrones de 1,5 masas solares. Este segundo evento fue identificado tanto por los dos detectores de Ligo, en Estados Unidos, como por el detector Virgo, en Italia.

«Como los tres instrumentos observaron este evento, pudimos excluir con mucha más precisión un origen de ruido terrestre: el método de búsqueda PyCBC, desarrollado en el Igfae, descarta una tasa de falsas alarmas superior a 1 por cada 50.000 años», explica Thomas Dent, líder del programa de ondas gravitacionales en el instituto de Santiago.