La colaboración conjunta LIGO/VIRGO lanzaron recientemente su segundo catálogo oficial de detecciones de ondas gravitacionales, elevando el número total de colisiones de 11 a 50. De estos eventos, casi todos fueron pares de agujeros negros fusionándose.
Las 39 nuevas detecciones provienen de los primeros seis meses de la tercera ejecución de observación de la colaboración, o “O3 run” como se nombra, que se desarrolló de abril a octubre de 2019. Este catálogo no incluyen candidatos adicionales extraídos de los datos de detecciones anteriores por equipos independientes. Veintiséis de los 39 ya habían sido anunciados como alertas públicas, capturados por sistemas automatizados y rápidamente confirmados por los investigadores. Los científicos encontraron los 13 restantes al revisar los datos en búsquedas de seguimiento más sensibles.
Varios de los eventos de O3 run ya han aparecido en los titulares, anunciados por sí mismos en el transcurso de 2020. Estos han incluido agujeros negros con tamaños no coincidentes y una colisión potencialmente incrustada en el gas. A diferencia de esos anuncios individuales, el catálogo nos permite ver las detecciones como una cohorte. Los objetos involucrados abarcan un rango de masas, desde poco más de 1 masa solar hasta aproximadamente 90 masas solares. El más cercano estaba a 500 millones de años luz de distancia; el más lejano, una fracción justa hasta el borde del universo observable, mirando hacia atrás aproximadamente 7 mil millones de años. Solo uno de los nuevos 39 eventos puede haber sido dos estrellas de neutrones chocando entre sí, pero a diferencia del espectacular evento GW170817, los astrónomos no encontraron rastros de una explosión de luz; la posibilidad se basa en las masas de los objetos.
Figura 1: El número total de eventos de fusión de agujero negro (color azul) y estrella de neutrones (color naranja) LIGO/Virgo detectados entre septiembre de 2015 y octubre de 2019, según lo informado por la colaboración conjunta. Los de color púrpura denotan agujeros negros conocidos antes de LIGO. Las fusiones se indican mediante flechas que conectan dos objetos progenitores, con un objeto final fusionado de mayor masa. Haga click sobre la imagen para agrandar.
Lo que realmente llama la atención sobre el nuevo catálogo es cuántos de los agujeros negros son grandes. Más de la mitad de las fusiones involucraron al menos un agujero negro que pesaba 30 masas solares o más. Antes de que LIGO lograra su primera fusión en 2015, la mayoría de los astrónomos no creían que encontrarían agujeros negros tan grandes; las predicciones existían pero no se difundían ampliamente. Pero ahora, los científicos tienen siete cataclismos con un agujero negro que pesa al menos 50 masas solares, con uno que inclina la balanza a unas 90 masas solares. Estos sistemas de gran masa son uno de los descubrimientos más importantes del nuevo catálogo. Los astrónomos habían predicho que debería haber un desierto de agujeros negros entre aproximadamente 50 y 130 masas solares (los valores exactos dependen de a quién se le pregunte).
Este sitio “abandonado” existiría porque a medida que una estrella masiva alcanza las etapas avanzadas de la vida, fusionando locamente carbono en su núcleo, surgen condiciones que hacen que el núcleo sea inestable y hacen que se contraiga violentamente. Si el núcleo está por encima de unas 130 masas solares, esa contracción será imparable, convirtiendo el núcleo en un agujero negro. Pero en masas de núcleos inferiores, la fusión puede proceder de una manera lo suficientemente explosiva como para revertir la implosión y destrozar la estrella, sin dejar nada atrás. Es más fácil para los observatorios de ondas gravitacionales sentir los aplastamientos de los grandes agujeros negros que de los más pequeños. Pero cuando los investigadores toman en cuenta las limitaciones de los instrumentos y extrapolan cómo se vería toda la población si pudieran detectar todo perfectamente, estiman que alrededor del 3% de los sistemas contienen un agujero negro de más de 45 masas solares, más alto que la estimación de su primer catálogo, que fue del 1%.
No está claro qué está pasando. Las colaboraciones ven signos de que el número de agujeros negros cae por encima de las 40 masas solares, lo cual podría ser que haya una subpoblación que en realidad esté contaminando una brecha de agujeros negros de segunda generación creados no por estrellas moribundas sino por fusiones posteriores. O tal vez el límite sea de una masa mayor o sea gradual, y las estrellas encuentren varias formas de evitar el colapso. Al hacer cambios razonables en las velocidades de fusión de las estrellas, sus rotaciones y la cantidad de cosas que pueden agarrar antes de morir o arrebatar más tarde a sus compañeros, es posible empujar el límite inferior de la brecha hasta aproximadamente 65 masas solares.
Y se avecinan más datos…
El nuevo catálogo y los documentos complementarios incluyen muchos otros hallazgos intrigantes, desde las confirmaciones de la teoría de la gravedad de Einstein hasta la evidencia de que la tasa de fusión de agujeros negros era aproximadamente el doble de hace 7 u 8 mil millones de años que en la actualidad. Eso es de esperarse, ya que la formación de estrellas alcanzó su punto máximo en el universo hace unos 10 mil millones de años.
También hay indicios de que existen muchos menos agujeros negros de baja masa. El binario de agujero negro más pequeño detectado involucró objetos de 9 y 5 masas solares. Esto se aclarará con los datos de la segunda mitad de O3 run, que se desarrolló desde noviembre de 2019 hasta marzo de 2020. Hay 23 alertas públicas para posibles eventos de ondas gravitacionales de esa carrera, pero probablemente pasarán otros seis a 12 meses antes del análisis oficial.
Referencias
https://inspirehep.net/literature/1826648
https://www.ligo.org/science/Publication-O3aCatalog/
https://www.mpg.de/15444573/dozens-of-new-gravitational-wave-events
Texto: Dra Celia Escamilla-Rivera - Jefa del Departamento de Gravitación y Teoría de Campos/ Instituto de Ciencias Nucleares-UNAM
Web, traducción y adaptación de visuales: A. Guevara, UCC-ICN