Superabundancia de ondas gravitacionales

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• Davide Castelvecchi

Simulación de la colisión entre una estrella de neutrones y un agujero negro. [Deborah Ferguson/Universidad de Texas en Austin; Bhavesh Khamesra/Instituto de Tecnología de Georgia; Karan Jani/Universidad Vanderbilt University/Colaboración LIGO].

Los observatorios de ondas gravitacionales han hecho público su último catálogo de colisiones cósmicas. La nueva tanda de datos, que contiene 35 eventos, eleva a 90 el número total de detecciones e incluye la estrella de neutrones más ligera jamás observada así como dos colisiones de agujeros negros sorprendentemente grandes.

Las observaciones han sido efectuadas por el Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferometría Láser (LIGO), en EE.UU., y por el instrumento gemelo Virgo, en Italia. Los eventos se registraron durante 21 semanas de operaciones desde el 1 de noviembre de 2019, a una tasa de detección promedio de un evento cada 4,2 días. Desde entonces, el equipo instrumental se ha ampliado para incluir al detector japonés KAGRA, que comenzó a tomar datos en febrero de 2020. La colaboración LIGO-Virgo-KAGRA describe los nuevos resultados en un artículo publicado en el repositorio de prepublicaciones arXiv.

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Las ondas gravitacionales son ondulaciones del espaciotiempo que se producen cuando se aceleran grandes masas. Al igual que las detecciones referidas anteriormente por LIGO y Virgo, las últimas se atribuyen a colisiones de objetos compactos, como agujeros negros o estrellas de neutrones. La gran mayoría, incluida la primera detección histórica de LIGO en 2015, han sido de pares de agujeros negros, aunque en algunos casos uno o ambos objetos han sido estrellas de neutrones.

Inicialmente la colaboración solo publicó datos sobre detecciones de muy alta confianza. Pero el catálogo más reciente, así como el anterior, publicado en octubre de 2020, incluye cualquier detección con una probabilidad razonable de corresponder a ondas gravitacionales. Los investigadores estiman que entre un 10% y un 15% de las últimas detecciones serán falsas alarmas «causadas por fluctuaciones de ruido instrumental».

Fusión de colosos

A partir de la forma y la frecuencia de las ondas producidas por estos eventos, los investigadores pueden deducir varias características de los objetos implicados, como su masa y su distancia a la Tierra. Los últimos 35 eventos tuvieron lugar a distancias comprendidas entre 800 millones y 7.000 millones de años luz.

Algunas de las nuevas observaciones incluyen verdaderos monstruos: en dos eventos participaron agujeros negros de más de 60 masas solares. Para los astrofísicos, la mera existencia de estos agujeros negros es problemática. Por regla general los agujeros negros se forman tras el colapso de una estrella masiva al final de su vida. Sin embargo, varias teorías predicen que algunas estrellas de gran tamaño deberían explotar sin dar lugar después a un colapso, lo que implicaría que no debería haber agujeros negros con masas comprendidas entre 65 y 120 masas solares, aproximadamente.

Una fusión que LIGO y Virgo registraron el 21 de mayo de 2019, revelada en el catálogo del año pasado, ya había desafiado esa suposición, pues incluía un agujero negro de 85 masas solares. Ahora que el equipo ha identificado dos eventos atípicos más, parece menos probable que el anterior haya sido mera casualidad.

Alessandra Buonanno, astrofísica de LIGO en el Instituto Max Planck de Física Gravitacional en Potsdam, dice que una posible explicación es que estos agujeros negros masivos podrían haber surgido como resultado de una fusión anterior, en vez de deberse directamente al colapso de una estrella. «Lo que estamos viendo podría ser un binario de segunda generación», señala.

Los observatorios detectaron otro evento intrigante el 19 de diciembre de 2019. Este incluía un agujero negro de 30 masas solares que engulló una minúscula estrella de neutrones. Con solo 1,17 masas solares, esta sería una de las estrellas de neutrones más ligeras conocidas y el objeto de menor masa jamás detectado por LIGO-Virgo. No obstante, Buonanno advierte que esa fue una de las detecciones con menor confianza estadística, por lo que podría deberse más al ruido de fondo que a un evento genuino.

Reconocimiento de patrones

Otro astrofísico de LIGO, Daniel Holz, de la Universidad de Chicago en Illinois, dice que el registro de fusiones de agujeros negros es ya lo suficientemente grande como para que los investigadores puedan comenzar a ver algunos patrones. El más llamativo de ellos es que las fusiones de agujeros negros tienden a ocurrir con mayor frecuencia en galaxias que están más alejadas de nosotros en el espacio y el tiempo.

Como resultado, las fusiones de agujeros negros se habrían vuelto menos comunes a medida que el universo envejecía. «Eso es compatible con las expectativas teóricas», explica Holz. «En las épocas pasadas del universo se creaban más estrellas, por lo que también cabe esperar que se creasen más agujeros negros y, por tanto, que hubiera más fusiones entre ellos.»

LIGO y Virgo suspendieron sus operaciones el 27 de marzo de 2020, antes de lo planeado debido a la pandemia de COVID-19, y desde entonces se han sometido a importantes mejoras. Se espera que retomen las observaciones a finales de 2022, lo que junto con KAGRA podría volver a duplicar el número de detecciones. Los investigadores esperan que, una vez que tengan cientos de eventos para comparar, podrán ver tendencias que den pistas sobre los orígenes y la historia de estos sistemas binarios, así como sobre la historia del propio universo. «Cuando lleguemos a ese punto será increíble», dice Holz.

Mientras tanto, los astrónomos de todo el mundo todavía esperan que se repita un evento como la fusión de dos estrellas de neutrones observada en 2017, la única colisión de este tipo detectada hasta hoy, la cual se pudo ver también desde telescopios ordinarios.

Davide Castelvecchi

Artículo traducido y adaptado por Investigación y Ciencia con permiso de Nature Resarch Group.

Referencia: «GWTC-3: Compact Binary Coalescences Observed by LIGO and Virgo Duri...»; colaboraciones LIGO, Virgo y KAGRA en arXiv:2111.03606, 5 de noviembre de 2021.