Nuevo hito científico en Baleares: detectada la fusión de una estrella de neutrones y un objeto desconocido

Un equipo de investigadores del grupo Gravity de la Universidad de las Islas Baleares (UIB) que dirige  Alicia Sintes ha participado en la detección de la señal de ondas gravitacionales denominada GW230529, realizada por los detectores de la colaboración LIGO-Virgo-KAGRA el 29 de mayo de 2023. La detección se produjo durante la primera parte del cuarto período de observación de los detectores, del 24 de mayo de 2023 al 16 de enero de 2024. Allí estaba en aquel momento una de las investigadoras de la UIB en el turno de guardia.

Esta onda gravitacional 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 que la esperada por ser una estrella de neutrones y más pequeña que un agujero negro.

La detección de este fenómeno representa un nuevo hito del grupo de investigadores integrados en la colaboración LIGO y que en 2016 detectó por primera vez las ondas gravitacionales, una perturbación del espacio tiempo producida por un cuerpo masivo acelerado. Las señales que originan estos fenómenos llegan a la Tierra y ofrecen una información excepcional sobre lo que sucede en el universo, o más bien lo que ha sucedido hace millones de años. Hay señales procedentes de fusiones de estrellas de neutrones o de agujeros negros o de estrellas de neutrones con agujeros negros…

En la detección desvelada ahora, la masa de este objeto compacto desconocido desafía a 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 3 y 5 masas solares. Hasta ahora, las estrellas de neutrones detectadas tienen menos de 3 masas solares, mientras que los agujeros negros tendrían más de 5 masas solares.

Observaciones recientes de ondas gravitacionales habrían propuesto la existencia de objetos situados en esa brecha de masas. Para una detección anterior 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 ahora, pero mucho menor que las masas de agujeros negros. 

Las fusiones de estrellas de neutrones y agujeros negros son eventos poco frecuentes. Por eso, 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.

Dos escenarios posibles

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 modelos.

Otro escenario posible para la formación del componente primario es a través de una fusión binaria de estrellas de neutrones. En ese 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 podría excluirse 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 de la Universidad de las Islas Baleares es el único grupo español que ha participado en todas las detecciones de ondas gravitacionales a través de la Colaboración Científica LIGO. Además, desempeña 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.

Varios modelos de forma de onda desarrollados por el grupo GRAVITY-UIB se han utilizado para el análisis de GW230529. 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 principales resultados del artículo científico en el que 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 ese modelo son consistentes con la teoría estándar.

Además, la doctora Anna Heffernan participó de forma directa en las estimaciones iniciales de los parámetros de la señal GW230529, como uno de los 6 miembros del turno de guardia cuando se produjo la detección, a las 19:15 horas CEST del 29 de mayo de 2023.

La doctora Heffernan y sus compañeros iniciaron investigaciones más detalladas utilizando los modelos desarrollados en la Universidad de las Islas Baleares, 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 por 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.