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Las ondas gravitacionales surgen a través del tejido del espacio y el tiempo después de que las estrellas de neutrones chocan violentamente

Las ondas gravitacionales surgen a través del tejido del espacio y el tiempo después de que las estrellas de neutrones chocan violentamente

Representación Artística Binary Neutron Star Merger

Representación artística de una fusión binaria de estrellas de neutrones. Crédito: National Science Foundation / LIGO / Sonoma State University / A. Simonnet

El 25 de abril de 2019, el LIGO El Observatorio Livingston recogió lo que parecían ser ondas gravitacionales de una colisión de dos estrellas de neutrones. LIGO Livingston es parte de una red de ondas gravitacionales que incluye LIGO (el Observatorio de ondas gravitacionales del interferómetro láser), financiado por la National Science Foundation (NSF) y el detector europeo Virgo. Ahora, un nuevo estudio confirma que este evento fue probablemente el resultado de una fusión de dos estrellas de neutrones. Esta sería solo la segunda vez que este tipo de evento se observa en ondas gravitacionales.

La primera observación de este tipo, que tuvo lugar en agosto de 2017, hizo historia por ser la primera vez que se detectan ondas gravitacionales y luz del mismo evento cósmico. La fusión del 25 de abril, por el contrario, no resultó en la detección de luz. Sin embargo, a través de un análisis solo de los datos de ondas gravitacionales, los investigadores han aprendido que la colisión produjo un objeto con una masa inusualmente alta.

Simulación del binario. estrella neutrón coalescencia GW190425 Esta película muestra una simulación numérica que representa la fusión y fusión binaria de estrellas de neutrones que resultó en el evento de onda gravitacional detectado GW190425. Las dos estrellas de neutrones que se muestran aquí tienen propiedades consistentes con la detección realizada por los detectores Advanced LIGO / Virgo. Las imágenes fijas se pueden descargar desde este enlace. Crédito: Simulación de la Relatividad Numérica: T. Dietrich (Nikhef), Wolfgang Tichy (Florida Atlantic University) y la Co-colaboración de Visualización Científica: T. Dietrich (Nikhef), S. Ossokine y A. Buonanno (Instituto Max Planck de Física Gravitacional) )

"A partir de observaciones convencionales con luz, ya sabíamos de 17 sistemas binarios de estrellas de neutrones en nuestra propia galaxia y hemos estimado las masas de estas estrellas", dice Ben Farr, miembro del equipo LIGO con sede en la Universidad de Oregón. "Lo sorprendente es que la masa combinada de este binario es mucho mayor de lo que se esperaba".

"Hemos detectado un segundo evento compatible con un sistema binario de estrellas de neutrones y esta es una confirmación importante del evento de agosto de 2017 que marcó un nuevo comienzo emocionante para la astronomía de mensajería múltiple hace dos años", dice Jo van den Brand, portavoz de Virgo y profesor de la Universidad de Maastricht y Nikhef y VU University Amsterdam en los Países Bajos. La astronomía de múltiples mensajeros ocurre cuando se presencian diferentes tipos de señales simultáneamente, como las basadas en ondas gravitacionales y luz.

Simulación numérica adicional de GW190425 Este video muestra la simulación de relatividad numérica de un sistema binario de estrella de neutrones compatible con la fuente de la señal GW190425, detectada por la red global de detectores de ondas gravitacionales LIGO-Virgo el 25 de abril de 2019. Está hecha de dos partes, ambas que muestran las últimas órbitas de las estrellas de neutrones, luego su colisión, seguida del rápido colapso del remanente en un calabozo. La primera parte se centra en la dinámica de la materia estelar de neutrones en la región central del campo fuerte; la mayor densidad de masa (azul) está por encima de las densidades nucleares, las superficies blancas que aparecen más tarde se aproximan al horizonte del agujero negro. La segunda parte, un alejamiento de la misma simulación, muestra la propagación de las ondas gravitacionales emitidas en el plano orbital y lejos de la fuente. Crédito: Colaboración CoRe www.computational-relativity.org / Jena FSU

El estudio, presentado a Las cartas del diario astrofísico, es autor de un equipo internacional compuesto por la Colaboración Científica LIGO y la Colaboración Virgo, la última de las cuales está asociada con el detector de ondas gravitacionales Virgo en Italia. Los resultados se presentaron en una conferencia de prensa el 6 de enero de 2020, en la 235ª reunión de la American Astronomical Society en Honolulu, Hawaii.

Las estrellas de neutrones son los restos de estrellas moribundas que sufren explosiones catastróficas a medida que colapsan al final de sus vidas. Cuando dos estrellas de neutrones se juntan en espiral, se someten a una fusión violenta que envía estremecimientos gravitacionales a través de la estructura del espacio y el tiempo.

LIGO se convirtió en el primer observatorio en detectar directamente ondas gravitacionales en 2015; en ese caso, las ondas fueron generadas por la feroz colisión de dos agujeros negros. Desde entonces, LIGO y Virgo han registrado docenas de fusiones de agujeros negros candidatos adicionales.

Espectrograma GW190425

Espectrograma de los datos del detector LIGO Livingston en el momento de GW190425. La escala de colores muestra una medida de la potencia presente en los datos a una frecuencia y tiempo dados. La animación alterna entre dos cuadros que muestran: (i) el espectrograma de los datos (ruido de detector + señal) y (ii) los datos con la forma de onda GW190425 sustraída. Las diferencias entre estos espectrogramas muestran claramente una característica de señal de "chirrido" de inspirales binarios compactos. Crédito: LIGO / Virgo.

La fusión de estrellas de neutrones de agosto de 2017 fue presenciada por los detectores LIGO, uno en Livingston, Louisiana, y uno en Hanford, Washington, junto con una gran cantidad de telescopios basados ​​en la luz en todo el mundo (las colisiones de estrellas de neutrones producen luz, mientras que las colisiones de agujeros negros son generalmente se piensa que no lo haga). Esta fusión no era claramente visible en los datos de Virgo, pero ese hecho proporcionó información clave que finalmente identificó la ubicación del evento en el cielo.

El evento de abril de 2019 se identificó por primera vez en los datos del detector LIGO Livingston solo. El detector LIGO Hanford estaba temporalmente desconectado en ese momento y, a una distancia de más de 500 millones de años luz, el evento era demasiado débil para ser visible en los datos de Virgo. Utilizando los datos de Livingston, combinados con la información derivada de los datos de Virgo, el equipo redujo la ubicación del evento a un parche de cielo de más de 8,200 grados cuadrados, o alrededor del 20 por ciento del cielo. A modo de comparación, el evento de agosto de 2017 se redujo a una región de solo 16 grados cuadrados, o 0.04 por ciento del cielo.

Laboratorio LIGO Livingston

Laboratorio LIGO Livingston. Crédito: Laboratorio LIGO

"Este es nuestro primer evento publicado para la detección de un solo observatorio", dice AnamariaEffler de Caltech, una científica que trabaja en LIGO Livingston. “Pero Virgomade hizo una valiosa contribución. Utilizamos información sobre su no detección para decirnos aproximadamente de dónde debe haberse originado la señal ".

Los datos de LIGO revelan que la masa combinada de los cuerpos fusionados es aproximadamente 3.4 veces la masa de nuestro sol. En nuestra galaxia, los sistemas de estrellas de neutrones binarios conocidos han combinado masas de hasta 2,9 veces la del sol. Una posibilidad para la masa inusualmente alta es que la colisión tuvo lugar no entre dos estrellas de neutrones, sino una estrella de neutrones y un agujero negro, ya que los agujeros negros son más pesados ​​que las estrellas de neutrones. Pero si este fuera el caso, el agujero negro tendría que ser excepcionalmente pequeño para su clase. En cambio, los científicos creen que es mucho más probable que LIGO haya sido testigo de la destrucción de dos estrellas de neutrones.

Observatorio LIGO Hanford

Laboratorio LIGO Hanford. Crédito: Laboratorio LIGO

“Lo que sabemos de los datos son las masas, y las masas individuales probablemente corresponden a estrellas de neutrones. Sin embargo, como sistema binario de estrellas de neutrones, la masa total es mucho más alta que cualquiera de los otros binarios de estrellas de neutrones galácticos conocidos ”, dice Surabhi Sachdev, un miembro del equipo LIGO con sede en Penn State. "Y esto podría tener implicaciones interesantes sobre cómo se formó originalmente la pareja".

Se cree que los pares de estrellas de neutrones se forman de dos formas posibles. Pueden formarse a partir de sistemas binarios de estrellas masivas que terminan sus vidas como estrellas de neutrones, o pueden surgir cuando dos estrellas de neutrones formadas por separado se unen en un entorno estelar denso. Los datos de LIGO para el evento del 25 de abril no indican cuál de estos escenarios es más probable, pero sí sugieren que se necesitan más datos y nuevos modelos para explicar la masa inesperadamente alta de la fusión.

Información adicional sobre los observatorios de ondas gravitacionales:

LIGO es financiado por NSF y operado por Caltech y MIT, que concibió a LIGO y dirigió el proyecto. El apoyo financiero para el proyecto Advanced LIGO fue liderado por la NSF con Alemania (Sociedad Max Planck), el Reino Unido (Consejo de Instalaciones de Ciencia y Tecnología) y Australia (Consejo de Investigación Australiano-OzGrav) haciendo importantes compromisos y contribuciones al proyecto. Aproximadamente 1.300 científicos de todo el mundo participan en el esfuerzo a través de la colaboración científica LIGO, que incluye la colaboración GEO.

La Colaboración Virgo está compuesta actualmente por aproximadamente 520 miembros de 99 institutos en 11 países diferentes, incluidos Bélgica, Francia, Alemania, Hungría, Italia, los Países Bajos, Polonia y España. El Observatorio Gravitacional Europeo (EGO) alberga el detector Virgo cerca de Pisa en Italia, y está financiado por el Centro Nacional de Investigación Científica (CNRS) en Francia, el Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) en Italia y Nikhef en los Países Bajos.