GW190814, una onda gravitacional en el hueco de masa (mass gap)

Por Francisco R. Villatoro, el 24 junio, 2020. Categoría(s): Ciencia • Física • Noticia CPAN • Noticias • Physics • Relatividad • Science ✎ 5

El 14 de agosto de 2019 se anunció en Twitter un nuevo candidato a onda gravitacional, S190814bv, con una FAR de 10¹⁷ años y una probabilidad >99 % de estar en el «hueco de masa» (MassGap). No se publicó su masa, pero se inició una intensa búsqueda de contrapartidas electromagnéticas; no se encontró ninguna. Hoy se publica de forma oficial en arXiv como señal GW190814: la fusión de un agujero negro entre 22.2 y 24.3 M⊙ y un objeto compacto entre 2.50 y 2.67 M⊙ (ambos al 90% C.L). Observada por los tres detectores, LIGO Livingston, LIGO Hanford y Virgo, tiene una relación señal-ruido de 25 y su fuente está a 241+41−45 Mpc. No se sabe si el objeto de menor masa es un agujero negro ligero, una estrella de neutrones pesada o un nuevo tipo de estrella compacta. Sin contrapartida electromagnética es imposible saberlo.

La fuente de ondas gravitacionales más asimétrica hasta ahora (el cociente de masas se estima en 0.112+0.008−0.009) permite restringir el espín (momento angular) de la componente primaria (la más masiva) en ≤ 0.07. El análisis de la señal es compatible con las predicciones de la teoría general de la relatividad, sin ninguna anomalía en los parámetros postnewtonianos. Tanto si la componente secundaria (la menos masiva) es un agujero negro ligero como una estrella de neutrones pesada, los mecanismos conocidos para la formación de sistemas binarios permiten explicar este nuevo sistema. Sin embargo, los modelos de formación de estrellas de neutrones a partir del colapso de estrellas no permiten explicar una con una masa mayor de 2.5 M⊙. ¿Podría ser la primera estrella de quarks observada? Quién sabe; pero la respuesta está más allá de la astronomía de ondas gravitacionales, que por sí sola no puede dilucidar esta cuestión.

El artículo es The LIGO Scientific Collaboration, the Virgo Collaboration, «GW190814: Gravitational Waves from the Coalescence of a 23 Solar Mass Black Hole with a 2.6 Solar Mass Compact Object,» The Astrophysical Journal Letters 896: L44 (23 Jun 2020), doi: https://doi.org/10.3847/2041-8213/ab960f, arXiv:2006.12611 [astro-ph.HE] (22 Jun 2020). Recomiendo leer la excelente pieza de Christopher Berry, «GW190814—The mystery of a 2.6 solar mass compact object,» Gravitational-wave astronomer, 23 Jun 2020, así como «GW190412: the first observation of an unequal-mass black hole merger,» LSC, 20 Apr 2020. Y si alguien quiere repetir el análisis de la señal, todos los datos están disponibles en GW190814 (Gravitational Wave Open Science Center).

La señal S190814bv generó un enorme revuelo en Twitter (con cientos de tuits sobre esta «superseñal» en agosto de 2019). Varios medios se hicieron eco, como Charlie Wood, «Astronomers Spy a Black Hole Devouring a Neutron Star,» Scientific American, 19 Aug 2019; Alan Boyle, «Has LIGO detected its first smash-up of black hole and neutron star? Stay tuned,» Geek Wire, 20 Aug 2019; etc.

Los dos telescopios Magallanes Walter Baade, en el Observatorio de Las Campanas, Chile, buscaron una contrapartida óptica en las 96 galaxias del catálogo GLADE que se encuentran en la región de origen de la señal y tampoco observaron ninguna evidencia de una kilonova: S. Gomez, G. Hosseinzadeh, …, P. K. G. Williams, «A Galaxy-targeted Search for the Optical Counterpart of the Candidate NS–BH Merger S190814bv with Magellan,» The Astrophysical Journal Letters 884: L55 (18 Oct 2019), doi: https://doi.org/10.3847/2041-8213/ab4ad5, arXiv:1908.08913 [astro-ph.HE] (23 Aug 2019).

Hubo una falsa alarma de la MegaCam del Observatorio Canadá, Francia, Hawái (CFHT), que generó cierto revuelo en Twitter, pero pronto fue descartada. Así, de forma oficial, tampoco observó ninguna contrapartida óptica: Nicholas Vieira, John J. Ruan, …, Dae-Sik Moon, «A Deep CFHT Optical Search for a Counterpart to the Possible Neutron Star–Black Hole Merger GW190814,» The Astrophysical Journal 895: 96 (02 Jun 2020), doi: https://doi.org/10.3847/1538-4357/ab917d, arXiv:2003.09437 [astro-ph.HE] (20 Mar 2020).

El telescopio de rayos gamma Swift también buscó una contrapartida, pero tampoco encontró ninguna: A. M. Watson, N. R. Butler, …, T. Wolfram, «Limits on the electromagnetic counterpart to S190814bv,» Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 492: 5916-5921 (20 Jan 2020), doi: https://doi.org/10.1093/mnras/staa161, arXiv:2001.05436 [astro-ph.HE] (15 Jan 2020).

Así, de forma oficial, todavía no se ha observado ninguna contrapartida electromagnética a la señal GW190814. En la fusión de un agujero negro y una estrella de neutrones se espera que exista, salvo que haya una diferencia de masa entre ellos tan grande que la estrella sea muy pequeña comparada con el horizonte de sucesos del agujero negro. Otra cosa es que podamos detectarla. Podría darse el caso de que el ángulo de la emisión de la señal sea inadecuado para su observación desde la Tierra. O incluso que la señal sea tan débil por su lejanía que sea indetectable (la fuente de GW190814 está a unos 240 Mpc que es unas 6 veces más lejos que la señal GW170817, lo que significa que su contrapartida electromagnética sería 36 veces más débil).

Por supuesto, no se puede descartar que se trate de una fusión de agujeros negros, uno de ellos con una masa similar a la de una estrella de neutrones. En esta simulación de la Colaboración SXS (Simulating eXtreme Spacetimes) del Max Planck Institute for Gravitational Physics (desarrollada por N. Fischer, S. Ossokine, H. Pfeiffer y A. Buonanno) se presenta dicha posibilidad. Más información en «A black hole with a puzzling companion,» AEI MPI, 23 Jun 2020.

Esta figura muestra la masa (en múltiples de la masa del Sol M⊙) de todas las estrellas de neutrones observadas (en amarillo con ondas electromagnéticas y en naranja con ondas gravitacionales), así como todos los agujeros negros observados (en morado como parte de binarias de rayos X y en azul mediante ondas gravitacionales). Se observa claramente que la señal GW190814 es realmente excepcional debido a su componente secundaria. Un objeto de unas 2.6 masas solares cuya naturaleza nos es desconocida. Un gran descubrimiento del Run O3 de LIGO y Virgo (Kagra solo participó en la parte final del Run O3 justo antes de que la pandemia de COVID-19 lo finalizara de forma brusca).

El convenio en la colaboración LIGO/Virgo es que todo objeto con una masa menor de 3 M⊙ se clasifica como estrella de neutrones y todo objeto con masa mayor de 3 M⊙ como agujero negro. Más aaún, el hueco de masa (mass gap) se sitúa de forma oficial entre 3 y 5 M⊙. Sin embargo, los modelos de formación de estrellas de neutrones por colapso de una estrella masiva ponen como límite superior para su masa un valor de unas 2.5 M⊙. Así, un objeto con una masa entre 2.5 y 3 M⊙ no sabemos si es una estrella de neutrones, un agujero negro o un objeto compacto exótico (como una estrella de quarks).

Recuerda que la estrella de neutrones más masiva observada con ondas electromagnéticas está en el púlsar J0740+6620 con 2.1 M⊙ ([PS 25 jun 2020] Albert destaca en los comentarios que PSR J2215+5135 tiene una masa de 2.27+0.17−0.15 M⊙ (doi) [/PS]). Aunque hay varios candidatos potenciales (aún no confirmados) con mayor masa, ostentando el récord el púlsar J1748−2021B con 2.7 M⊙; sin embargo, esta medida tiene una incertidumbre enorme y hay muchas dudas sobre este récord entre los expertos en estrellas de neutrones.

Esta tabla resume los parámetros de la onda gravitacional GW190814 al 90% CL. Recuerda que la distribución de todos los parámetros es asimétrica y que la distancia combinada (EOBNR+Phenom) de 241+41−45 Mpc significa que el valor está entre 196 y 282 Mpc al 90% CL, con mediana 241 Mpc y media 239 Mpc; por cierto, esta distancia indica que la señal se originó hace entre 600 y 850 millones de años. La notación para otros parámetros de la tabla es similar.

Como siempre, una tabla con parámetros agregados solo muestra una parte de la realidad. La onda gravitacional permite determinar un valor combinado (chirp mass) de las dos masas de las componentes del sistema binario que se fusiona, así lo más riguroso es presentar la distribución de probabilidad de las masas en el plano m1 y m2, como muestra esta figura. Como se observa, hay un 10% de probabilidad de que la masa sea inferior a 2.5 M⊙, con lo que la nueva señal dejaría de ser interesante para los físicos teóricos que trabajan en la ecuación de estado de la materia nuclear en el interior de las estrellas.

El nuevo artículo de LIGO/Virgo presenta una estimación de la ecuación de estado de la materia nuclear en las estrellas de neutrones basada en las ondas gravitacionales GW170817 (fusión NSNS) y GW190814 (posible fusión NSBH). El análisis multimensajero de la kilonova que originó GW170817 y sGRB170817 permitió restringir la masa máxima de las estrellas de neutrones a unos 2.3 M⊙, aunque hay investigadores que prefieren unos 2.2 M⊙ y otros unos 2.4 M⊙. Así, una masa de unos 2.6 M⊙ se considera demasiado alta para una estrella de neutrones (aunque el púlsar J1748−2021B les lleve la contraria).

Bajo la hipótesis de que hemos observado una estrella de neutrones de 2.6 M⊙ se puede estimar la ecuación de estado de la materia nuclear (la relación entre su presión y su densidad que se muestra en la figura). Así, una estrella de neutrones típica de 1.4 M⊙ tendría un radio R = 12.9+0.8−0.7 km y una deformabilidad debida a fuerzas de marea Λ = 616+273−158 (este parámetro adimensional caracteriza el momento cuadripolar de un objeto en rotación rápida). Futuras observaciones y estudios números en supercomputadores tendrán que ratificar esta predicción.

Por último, se ha estimado la constante de Hubble usando GW190814, obteniéndose un valor de H0 = 83+55−53 km/s/Mpc al 90% CL (o un valor de H0 = 75+59−13 km/s/Mpc al 68% CL). Cuando se combina esta señal con GW170817 se estima H0 = 77+33−23 km/s/Mpc al 90% CL (y H0 = 70+17−8 km/s/Mpc al 90% CL). Aún son valores con demasiada incertidumbre para que pueden ser tenidos en cuenta en las discusiones sobre el problema de la constante de Hubble.

En resumen, hemos observado una nueva fusión de un objeto compacto y un agujero negro de masa estelar por medio de ondas gravitacionales. Siendo la fusión más asimétrica, la masa del objeto secundario está un poco por encima de la que esperamos para una estrella de neutrones, así que, en rigor, ignoramos la naturaleza de dicho objeto compacto. Sin lugar a dudas un misterio que generará gran número de elucubraciones en los medios más sensacionalistas. Para mi, lo más relevante es que la astronomía gravitacional va viento en popa.



5 Comentarios

  1. Francis dice: «…la estrella de neutrones más masiva observada con ondas electromagnéticas está en el púlsar J0740+6620 con 2.1 Ms…»
    Notar que la estrella de neutrones del pulsar PSR J2215+5135 tiene una masa de 2.27 +0.17/-0.15 Ms según publicación en The Astrophysical Journal: «Peering into the Dark Side: Magnesium Lines Establish a Massive Neutron Star in PSR J2215+5135»
    https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/aabde6/meta
    Saludos.

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