29 de Diciembre de 2022
Astrofísica

La forma de las ondas gravitatorias podría revelar qué objetos las generaron

Los futuros detectores podrán distinguir entre la fusión de dos agujeros negros y la de un agujero negro y una estrella de neutrones a partir de las ondas gravitacionales registradas.

Representación artística de la fusión de dos agujeros negros y la consiguiente generación de ondas gravitacionales. Se espera que la mayor sensibilidad de los detectores de la tercera generación, como el Explorador Cósmico en EE.UU. y el Telescopio Einstein en Europa, permita deducir si las ondas se generaron como consecuencia de la colisión de dos agujeros negros, dos estrellas de neutrones o un objeto de cada tipo sin necesidad de detectar la radiación electromagnética producida en el choque. [LIGO/Instituto de Tecnología de California]

En febrero de 2016, el equipo del experimento LIGO (Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferometría Láser), anunció la detección del evento de ondas gravitacionales GW150914, un hito que fue galardonado con un premio Nobel. Dos agujeros negros, de unas 30 masas solares cada uno, habían colisionado a 1300 millones de años luz de distancia, sacudiendo violentamente el tejido del espaciotiempo durante unas fracciones de segundo. Esos temblores espaciotemporales llegan a la Tierra en forma de ondas gravitatorias y pueden detectarse con interferómetros láser de gran sensibilidad, como LIGO.

Desde entonces, se han identificado decenas de señales de ese tipo. Y, aunque en algunas de esas devastadoras colisiones participan estrellas de neutrones, la mayoría de las ondas gravitacionales detectadas proceden de la fusión de dos agujeros negros para generar uno de mayor tamaño. Hasta ahora, los eventos como GW170817, donde dos estrellas de neutrones chocaron y se convirtieron en otro objeto compacto (muy probablemente, un agujero negro), han sido una absoluta rareza.

A los investigadores les gustaría poder deducir qué objetos colisionaron a partir de las propias ondas gravitacionales, sin necesidad de recurrir a las señales electromagnéticas que se producen al mismo tiempo y que, hasta ahora, han sido muy difíciles de detectar. ¿Podría la forma de una onda revelar si se fusionaron dos agujeros negros, dos estrellas de neutrones o un objeto de cada tipo? Un equipo dirigido por Stephanie Brown, del Instituto Max Planck de Física Gravitatoria de Potsdam, explica en The Astrophysical Journal que los detectores actuales, como LIGO y Virgo, todavía no son capaces de captar esas sutiles diferencias en la forma de las ondas. Según los autores, eso solo se podría lograr con la siguiente (la tercera) generación de detectores.

Tanto las estrellas de neutrones como los agujeros negros de masa estelar son los remanentes de las explosiones que ocurren durante el colapso gravitatorio de estrellas masivas. Suelen tener entre dos y varias decenas de masas solares, y los agujeros negros son más masivos, aunque aún no se conoce con precisión la masa máxima de una estrella de neutrones ni la mínima de un agujero negro (si bien es probable que el límite se sitúe entre las dos y tres masas solares). En consecuencia, resulta difícil distinguir ambos tipos de fusiones.

La huella de un agujero negro

El equipo de Brown ha examinado varios supuestos con la ayuda de simulaciones. En el caso de un choque entre una estrella de neutrones y un agujero negro, la intensa atracción gravitatoria de este último deforma la estrella de neutrones mucho antes de la fusión, y esas fuerzas de marea dejan un leve rastro en la señal de las ondas gravitacionales que no se observaría en las colisiones entre dos agujeros negros.

Según el análisis, el escenario más favorable sería la colisión de un agujero negro relativamente ligero, de unas cinco masas solares, con una estrella de neutrones estándar, de 1,4 masas solares. La proporción entre las masas de esos objetos generaría un efecto de marea bastante intenso, pero el «accidente» estelar no debería producirse a más de unos 130 millones de años luz de la Tierra, porque, de lo contrario, la señal se debilitaría demasiado.

Brown y su equipo concluyen que, en principio, debería ser posible distinguir entre la fusión de dos agujeros negros y la de un agujero negro y una estrella de neutrones. Sin embargo, lo más probable es que las próximas actualizaciones de LIGO (LIGO A+ y LIGO Voyager) sigan sin poder hacerlo: solo lo lograrían los futuros detectores de tercera generación, como el Explorador Cósmico en EE.UU. o el Telescopio Einstein en Europa, que serán todavía más sensibles.

Andreas Müller

Referencia: «Using gravitational waves to distinguish between neutron stars and black holes in compact binary mergers». Stephanie M. Brown et al. en The Astrophysical Jounal, vol. 941, art. 98, 14 de diciembre de 2022.

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