GW190425: la fusión de estrellas de neutrones más masiva

Por Francisco R. Villatoro, el 6 enero, 2020. Categoría(s): Ciencia • Física • Noticias • Physics • Science ✎ 7

En el año 2020 se publicarán todas las ondas gravitacionales observadas por el Run O3 de LIGO-Virgo; iniciado el 1 de abril de 2019, aún está en curso. La primera es GW190425, una posible fusión de dos estrellas de neutrones detectada el 25 de abril de 2019 con una relación señal-ruido de 12.9 por el detector LIGO Livingston (LIGO Hanford estaba fuera de servicio y Virgo solo se ha usado en el análisis de datos). Dos objetos con masas entre 1.12 y 2.52 M⊙ (masas solares), al 90% CL, con una masa efectiva (chirp) de 1.44 ± 0.02 M⊙, se fusionaron en un objeto de 3.4 M⊙ (la mediana para un rango entre 3.3 y 3.7 M⊙); no se puede descartar que alguno de los cuerpos, o ambos, sean agujeros negros de baja masa; pero el resultado de la fusión debería ser un agujero negro.

No se ha detectado ninguna contraparte electromagnética, como ocurrió con GW170817, la primera fusión de estrellas de neutrones observada con ondas gravitacionales. La razón es que hay una enorme incertidumbre en la posición en el cielo de la fuente (pues solo fue detectada por LIGO Livingston), un área unas 300 veces mayor. Así, resulta casi imposible localizar en el cielo señales electromagnéticas, neutrinos o partículas cargadas asociadas a la fusión. Además se estima que la fuente es mucho más lejana, unos 500 millones de años-luz de distancia para GW190425, en lugar de unos 130 millones de años-luz para GW170817, luego la posible contraparte sería de menor intensidad.

Sin lugar a dudas, un gran éxito para la astronomía de ondas gravitacionales, pero que nos deja con la miel en los labios. Sin contraparte electromagnética no podemos saber la naturaleza de los objetos que se han fusionado; ni lo podremos saber nunca. El artículo, enviado a The Astrophysical Journal, es B. P. Abbott et al., “GW190425: Observation of a Compact Binary Coalescence with Total Mass ∼ 3.4 M⊙,” 06 Jan 2020 [PDF]. En español recomiendo “GW190425: la fusión de un sistema binario de objetos compactos con una masa total de alrededor 3,4 masas solares” [PDF], y en inglés “GW190425: the heaviest binary neutron star system ever seen?” [PDF].

[PS 07 ene 2020] Recomiendo leer al muy instructivo Christopher Berry, “GW190425—First discovery from O3,” Gravitational-Wave Astronomer, 06 Jan 2020. [/PS] [PS 08 ene 2020] También recomiendo leer a Alberto Aparici, “Las ondas gravitacionales, una nueva mirada al Cosmos”, Ciencia, La Razón, 08 ene 2020. [/PS]

La señal GW190425 se observó el 25 de abril de 2019 a las 08:18:05 UTC, generando una alerta con el nombre provisional S190425z. Solo se observó con un detector LIGO Livingston (LLO), Louisiana (EEUU), porque LIGO Hanford (LHO), Washington (EEUU), estaba fuera de servicio; La señal GW190425 se observó el 25 de abril de 2019 a las 08:18:05 UTC, generando una alerta con el nombre provisional S190425z. Solo se observó con un detector LIGO Livingston (LLO), Louisiana (EEUU), porque LIGO Hanford (LHO), Washington (EEUU), estaba fuera de servicio. Virgo, Cascina (Italia) no detectó la señal, pues solo alcanzó una SNR de 2.5, inferior al umbral de detección de 4.0. Hay que comparar estos valores con los 32.4 de la triple detección LLO+HLO+Virgo de GW170817, que se obtuvieron al combinar los 19, 26 y 2 de HLO, LLO y Virgo, resp. En el caso de GW190425, Virgo solo ha servido para el análisis detallado de la señal.

Como solo se ha observado con un detector, la incertidumbre sobre la posición en el cielo es enorme. El área donde se puede encontrar la fuente es de 8 284 grados cuadrados de cielo al 90% CL. No se ha observado ningún brote de rayos gamma corto (sGRB), como ocurrió con GW170817, en una ventana temporal cercana al momento de detección. Si ocurrió una fusión de estrellas de neutrones la razón es que la dirección del brote no coincidió con la posición de la Tierra; pero también puede ser que se observó una fusión de agujeros negros de baja masa. Solo con la señal gravitacional observada es imposible saberlo.

Hay una gran incertidumbre en todos los parámetros de los objetos que se han fusionado. La estimación teórica depende del momento angular (espín) de cada una de las fuentes que no se puede inferir de la señal observado por LIGO Livingston; en esta tabla se presentan resultados suponiendo que ambos tienen un espín (adimensional) bajo, menor de 0.05, y alto, menor de 0.89 (donde χ=1 es el espín máximo). Además, parámetros como las masas de las fuentes dependen tienen una relación funcional entre ellos. En esta tabla todos los parámetros se indican al 90% CL tras un análisis bayesiano. Tomaré los resultados más plausibles, los indicados para el caso de mayor límite para el espín. La distancia a la fuente se estima en 159+69−71 Mpc. En cuanto a la masa del objeto primario (el de mayor masa) se estima entre 1.61 y 2.52 M⊙, y la del secundario entre 1.12 y 1.68 M⊙, siendo la masa total de 3.4+0.3−0.1 M⊙ (es decir, entre 3.3 y 3.7 M⊙, con mediana en 3.4 M⊙).

Dado que no se han observado agujeros negros con masas inferiores a dos masas solares, la hipótesis propuesto por la Colaboración LIGO-Virgo es que se ha observado la fusión de dos estrellas de neutrones. Se conocen 17 sistemas binarios de estrellas de neutrones en nuestra galaxia con masa total en el rango entre 2.50 y 2.89 M⊙; en 12 de ellos se han estimado la masa de las componentes, con una masa efectiva (chirp) entre 1.12 y 1.24 M⊙ (la masa efectiva (chirp) es cierta combinación de las masas de las componentes, en concreto, M = (m13/5+m23/5)/(m1+m2)1/5, que se calcula a partir de cómo varía la frecuencia de la señal gravitational). Si se acepta esta hipótesis, GW190425 será el sistema binario de estrellas de neutrones con mayor masa observado hasta el momento, con una masa efectiva (chirp) de 1.44 ± 0.02 M⊙. El producto de la fusión, con unas 3.4 M⊙ debe ser un agujero negro (pues su masa es superior al límite para estrellas de neutrones, aunque no se puede descartar otros objetos compactos hipotéticos).

 

En resumen, un gran resultado observacional que nos ofrece más preguntas que respuestas. Aún así, augura que el Run O3 de LIGO-Virgo nos ofrecerá resultados muy interesantes en los próximos meses. Habrá que seguir al tanto.

[PS 08 ene 2020] Esta figura muestra las estrellas de neutrones observadas mediante ondas electromagnéticas (en amarillo) y las observadas usando ondas gravitacionales (en naranja); el producto de la fusión de estas últimas casi con seguridad son agujeros negros, pero se denota por un símbolo de interrogación porque en rigor no lo sabemos con seguridad. [/PS]



7 Comentarios

  1. Gracias por la nota Francis, es increíble que estemos viviendo tiempos en que la astronomía de ondas gravitacionales es una realidad.

    Fuera de tema:

    Recomiendo a los lectores de Francis un video divulgativo sobre colisiones de estrellas de neutrones y la labor de LIGO a este respecto: https://www.youtube.com/watch?v=kL81uuYW9BY Es bastante gráfico y explicativo.

    Saludos.

  2. Hola Francis, quiza hay una pequeña errata aqui “500 años-luz de distancia para GW190425, en lugar de unos 130 años-luz para GW170817”. Estamos hablando de millones de años luz quiza?

    Por lo demas, genial como siempre. Una pena que solo se haya podido detectar con uno…

  3. Francis, gazapo detectado: “…unos 500 años-luz de distancia para GW190425, en lugar de unos 130 años-luz para GW170817…”
    Observa que debe ser “500 millones años-luz” y “130 millones de años-luz”
    Gracias por el artículo, saludos 🙂

  4. Hola Francis, creo que hay un error en el texto “la primera fusión de estrellas de neutrones observada con ondas gravitacionales”, creo que las ondas en ese texto eran las electromagneticas

    1. Gerardo, no hay ningún error; la primera fusión de estrellas de neutrones observada con ondas electromagnéticas fue en 2008 (sGRB 080503), luego en 2013 (sGRB 130603B) y en 2015 (sGRB 150101B). La primera vez que se observó una fusión de estrellas de neutrones con ondas gravitacionales fue GW170817, que también fue observada con ondas electromagnéticas como kilonova sGRB 170817A, también llamada AT 2017gfo.

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