La UIB participa en la detecció de la fusió entre un estel de neutrons i un objecte compacte desconegut

PalmaUn equip d'investigadors del grup GRAVITY de la Universitat de les Illes Balears ha participat en la detecció del senyal d'ones gravitacionals GW230529 duita a terme pels detectors de la col·laboració LIGO-Virgo-KAGRA el 29 de maig de 2023. El descobriment es va produir durant la primera part del quart període d'observació (O4A) dels detectors, del 24 de maig de 2023 al 16 de gener de 2024.   

Aquesta ona gravitacional hauria estat causada per la fusió d'un estel de neutrons d'entre 1,2 i 2 masses solars i un objecte compacte desconegut d'entre 2,5 i 4,5 masses solars, més gran del que esperaven per ser una estrella de neutrons i més petita que un forat negre. 

La massa d'aquest objecte desconegut desafia els models actuals de poblacions de forats negres i estels de neutrons, que proposaven l'existència d'una bretxa en la distribució d'objectes compactes, segons la qual no podrien existir objectes en l'interval d'entre 3 i 5 masses solars. Fins ara, els estels de neutrons detectats tenen menys de 3 masses solars, mentre que els forats negres en tindrien més de 5. 

Observacions recents d'ones gravitacionals haurien proposat l'existència d'objectes situats en aquesta bretxa de masses. Per a una detecció anterior, GW190814 es va estimar que un dels objectes causants se situaria entre 2,5 i 2,7 masses solars, és a dir, més elevada que l'estel de neutrons més pesat que s'havia observat fins ara, però molt menor que les masses de forats negres. Així i tot, aquest esdeveniment no es trobava amb certesa en la bretxa de masses. 

Les fusions d'estels de neutrons i forats negres són esdeveniments poc freqüents. Per això, cada nova detecció és extremadament valuosa per a l'estudi dels índexs de fusió i per a la caracterització de les poblacions de forats negres i estels de neutrons, que és un dels objectius de l'astronomia de les ones gravitacionals. 

Els investigadors de la col·laboració LIGO-Virgo-KAGRA assenyalen que la naturalesa de l'objecte desconegut fa de GW230529 un candidat ferm per redefinir els models de poblacions de forats negres i estrelles de neutrons. 

Com es va formar GW230529?

El procés de formació que va donar lloc a GW230529 és incert. Els investigadors plantegen dos escenaris plausibles. El primer seria la formació per retrocés, en què el col·lapse del nucli d'una supernova dona lloc a un forat negre (i no a un estel de neutrons) a causa de l'acumulació de material residual procedent del nucli. 

Resultats recents de models numèrics han demostrat que la formació de forats negres d'entre 3 i 6 masses solars és possible mitjançant aquest mecanisme de formació. Les simulacions de col·lapse del nucli per a estels d'heli han predit masses de forats negres tan baixes com la massa màxima dels estels de neutrons, encara que el rang de masses per sota de 5 masses solars està menys poblat. 

Avui dia, els models de col·lapse del nucli continuen presentant grans incerteses quant al resultat del procés, per la qual cosa resulta difícil determinar amb precisió els límits de les masses dels objectes compactes. GW230529 és, per tant, un recurs valuós per restringir aquests models.

Un altre escenari possible per a la formació del component primari és a través d'una fusió binària d'estels de neutrons. En aquest cas es podria imaginar que el component secundari és membre d'un antic sistema triple o quàdruple o que el va capturar mentre evolucionava en un cúmul estel·lar jove o en un nucli galàctic actiu. Tampoc no es podria excloure un origen no estel·lar, com un forat negre primordial.

L'estudi d'altres sistemes en la bretxa de massa, com GW230529, permetrà refinar la comprensió de les poblacions de forats negres i estels de neutrons. Això, al seu torn, permetrà comprendre'n millor els mecanismes de formació i, en el cas dels estels de neutrons, l'estructura interna.

La participació del grup GRAVITY de la UIB

El grup GRAVITY, liderat per la doctora Alicia Sintes, de la Universitat de les Illes Balears, és l'únic grup espanyol que ha participat en totes les deteccions d'ones gravitacionals a través de la Col·laboració Científica LIGO. A més, té un paper destacat en la missió espacial LISA, aprovada recentment per l'Agència Espacial Europea (ESA) per fer realitat la construcció del primer observatori espacial d'ones gravitacionals.

Diversos models de forma d'ona desenvolupats pel grup GRAVITY-UIB s'han utilitzat per a l'anàlisi de GW230529. Aquests models incorporen efectes físics clau, atesa la naturalesa incerta dels objectes compactes de la font. 

En particular, el model de sistemes binaris de forats negres (IMRPhenomXPHM), liderat pel doctor Sascha Husa, és un dels models de referència usat per als resultats principals de l'article científic en el qual es recull la troballa.

Un altre model de sistemes binaris format per estels de neutrons (IMRPhenomXP_NRTidalv2), desenvolupat recentment a la UIB per la doctora Marta Colleoni i els seus col·laboradors, va ser utilitzat en una anàlisi addicional per cercar desviacions en el senyal més enllà de la teoria de la relativitat general d'Einstein. Els resultats aconseguits amb aquest model són consistents amb la teoria estàndard.

A més, la doctora Anna Heffernan va participar de manera directa en les estimacions inicials dels paràmetres del senyal GW230529, com un dels sis membres del torn de guàrdia quan es va produir la detecció, a les 19.15 h CEST del 29 de maig de 2023. La doctora Heffernan i els seus companys van iniciar investigacions més detallades fent servir els models desenvolupats a la Universitat de les Illes Balears, IMRPhenomXPHM i altres com IMRPhenomNSBH, que van ser continuades per altres equips de la col·laboració LIGO-Virgo-KAGRA, atesa la importància de l'esdeveniment. De fet, GW230529 va ser el primer que es va considerar de prioritat alta del període d'observació O4A.

Per la seva banda, el doctor David Keitel ha participat en l'estudi de l'escenari de l'efecte de lent gravitacional per GW230529. Aquest estudi ha considerat la possibilitat, encara que poc probable, que una massa gran, com una galàxia, hagi pogut magnificar el senyal d'una fusió normal d'estels de neutrons fent que semblàs la fusió d'objectes més massius.