Detecten un objecte misteriós fusionant-se amb un forat negre

25/06/2020

Durant molt de temps, la comunitat astronòmica ha estat desconcertada per la manca d'observacions d'objectes compactes amb masses en l'interval des de 2,5 fins a  5 masses solars. Aquesta misteriosa zona grisa es coneix com el "buit en la distribució de masses": un interval de masses aparentment massa petites per a un forat negre i massa grans per a una estrella de neutrons. Tant les estrelles de neutrons com els forats negres es formen quan estrelles molt massives esgoten el seu combustible nuclear i exploten com a supernoves. El que queda després de l'explosió depèn de la quantitat que roman del nucli de l'estrella. Els nuclis menys massius tendeixen a formar estrelles de neutrons, mentre que els més massius col·lapsen en forats negres. Entendre si hi ha un buit en la distribució de masses en l'interval esmentat, i per què, ha estat un enigma durant molt de temps per als científics.

Ara, les col·laboracions científiques que operen el detector Advanced Virgo a l'Observatori Gravitacional Europeu (EGO, per les sigles en anglès), prop de Pisa a Itàlia, i els dos Advanced LIGO, als Estats Units, han anunciat la descoberta d'un objecte d’uns 2,6 masses solars, és a dir, dins de l'anomenat "buit en la distribució de masses", qüestionant així la seva pròpia existència. La naturalesa de l'objecte en si mateix segueix sent un misteri, ja que aquesta observació d'ones gravitacionals per si sola no ens permet distingir si es tracta d'un forat negre o una estrella de neutrons. Fa uns 800 milions d'anys, l'objecte es va fusionar amb un forat negre de 23 masses solars i, en fer-ho, va generar un forat negre final d'unes 25 vegades la massa del Sol. La fusió va emetre una intensa ona gravitacional que els tres instruments de la xarxa van detectar el 14 d'agost de 2019, i per tant s'ha etiquetat com GW190814. El descobriment acaba de publicar-se en la revista The Astrophysical Journal Letters.

Una altra peculiaritat d'aquest esdeveniment és que la fusió mostra la proporció més inusual entre masses d'un sistema binari registrat fins a la data. La massa gran és aproximadament 9 vegades més massiva que la massa menor.

El senyal associat a una fusió tan inusual va ser clarament detectada pels tres instruments de la xarxa LIGO-Virgo, amb una relació global senyal-soroll de 25. Gràcies principalment al retard entre els temps d'arribada del senyal en els detectors, és a dir, els dos Advanced LIGO als EUA i Advanced Virgo a Itàlia, la xarxa de 3 detectors va ser capaç de localitzar l'origen de la font que va generar l'ona en uns 19 graus quadrats.

Quan els científics de LIGO i Virgo van detectar aquesta fusió, immediatament van enviar un avís a la comunitat astronòmica. Molts telescopis terrestres i espacials van fer un seguiment a la recerca de llum i d’altres ones electromagnètiques, però, a diferència de la famosa fusió de dues estrelles de neutrons, detectada l'agost de 2017 i que van donar lloc a l'anomenada astronomia multi-missatger, en aquest cas no es va recollir cap senyal.

Segons els científics de Virgo i LIGO, l'esdeveniment d'agost de 2019 no va ser vist en l'espectre electromagnètic per diverses raons probables. En primer lloc, aquest esdeveniment estava sis vegades més lluny que GW170817, cosa que dificulta la detecció de qualsevol senyal electromagnètica. En segon lloc, si la col·lisió va involucrar dos forats negres, probablement no hi va haver cap emissió en l'espectre electromagnètic. En tercer lloc, si l'objecte més petit del sistema va ser de fet un estel de neutrons, el seu company forat negre 9 vegades més massiu podria haver-se’l empassat sencer, i un estel de neutrons engolit completament per un forat negre no produiria cap emissió electromagnètica. La identitat de l'objecte detectat el 14 d'agost de 2019 segueix sent un misteri.

A més de posar a prova el nostre enteniment de l'evolució estel·lar i de la producció d'estrelles de neutrons i forats negres en el buit de masses, la raó peculiar entre les masses de sistema binari i el fet de ser el succés d'ones gravitacionals millor localitzat en el cel fins a la data sense contrapartida electromagnètica, han permès dur a terme nous tests de la teoria de la gravetat i una nova mesura de la constant de Hubble, compatible amb aquella obtinguda mitjançant el succés GW170817.

"El succés GW190814 és un bon exemple de com les ones gravitacionals tenen el potencial de canviar radicalment el nostre enteniment del cosmos tant a nivell astronòmic com a nivell de física fonamental", declara Mario Martínez, coordinador del grup Virgo a l'Institut de Física d'Altes Energies (IFAE). "Les dades acumulades pels interferòmetres LIGO i Virgo ara i en els propers anys amb una major sensibilitat contribuiran a això."

Observacions futures amb Virgo, LIGO i possiblement altres telescopis podran detectar esdeveniments similars i ajudar-nos a respondre les nombroses preguntes que ha plantejat la detecció de GW190814.

Cinc grups a Espanya estan contribuint a l'astronomia d'ones gravitacionals de LIGO-Virgo, en àrees que van des del modelatge teòric de les fonts astrofísiques fins a la millora de la sensibilitat del detector per als períodes d'observació actuals i futurs. Dos grups, a la Universitat de les Illes Balears (UIB) i l'Institut Gallec de Física d'Altes Energies (IGFAE) de la Universitat de Santiago de Compostel·la (USC), formen part de la Col·laboració Científica LIGO; mentre que la Universitat de València (UV), l'Institut de Ciències del Cosmos de la Universitat de Barcelona (ICCUB) i l'IFAE, a la UAB, són membres de Virgo.

Més informació:

Vídeo de l'artista francès Alex Andrix en col·laboració amb EGO-Virgo i LMA.

Aquesta notícia s'emmarca dins dels següents ODS

• Aliança pels objectius