Observan, por primera vez, la fusión entre dos agujeros negros y dos estrellas de neutrones

«Hasta ahora -explica Chase Kimball, uno de los autores del estudio- las ondas gravitacionales nos habían permitido detectar colisiones de pares de agujeros negros y de pares de estrellas de neutrones, pero la colisión mixta de un agujero negro con una estrella de neutrones era la pieza que faltaba para entender las fusiones de estos objetos compactos. (...). Con estas detecciones, finalmente tenemos mediciones de las tasas de fusión en las tres categorías de fusiones binarias compactas».

En las dos ocasiones, y justo antes de encontrarse, los agujeros negros y las estrellas de neutrones se embarcaron en una auténtica 'espiral de la muerte', orbitándose mutuamente cada vez más rápido hasta chocar entre sí y producir así ondas gravitacionales que pudieron ser captadas por los observatorios LIGO, en Estados Unidos, y Virgo, en Italia. Los científicos, entre ellos dos del Instituto Gallego de Física de Altas Energías (IGFAE), creen que sus observaciones ayudarán a descubrir algunos de los misterios más complejos del Universo, incluidos los componentes básicos de la materia y el funcionamiento del espacio y el tiempo.

Según el estudio, los dos eventos de colisión, detectados el 5 y el 15 de enero de 2020, ocurrieron a casi mil millones de años luz de nosotros, es decir, hace casi mil millones de años, pero fueron tan violentos y masivos que aún a esa distancia el equipo pudo observar las ondas gravitacionales que generaron.

«Estas colisiones -asegura Susan Scott, de la Universidad Nacional de Australia y coautora del estudio- han sacudido el Universo hasta sus cimientos, y hemos logrado detectar las ondas que enviaron a toda velocidad a través del cosmos. Cada colisión no es solo la unión de dos objetos masivos y densos. Es realmente como en el Pac-Man, con un agujero negro que se traga por completo a su estrella de neutrones compañera. Se trata de eventos notables y hemos esperado mucho tiempo para poder presenciarlos. Así que es increíble haberlos podido capturar finalmente ».

Las ondas gravitacionales son perturbaciones en la curvatura del espacio-tiempo creadas por objetos masivos en movimiento, y contienen valiosa información sobre los eventos que las producen. Durante los cinco años desde que se midieron las ondas por primera vez, un hallazgo que condujo al Premio Nobel de Física de 2017, los investigadores han identificado más de 50 señales de ondas gravitacionales de la fusión de pares de agujeros negros y de pares de estrellas de neutrones, cadáveres de estrellas masivas que explotaron en forma de supernova, pero nunca había podido observar una 'colisión mixta'.

Una de las dos colisiones se produjo entre un agujero negro con una masa nueve veces mayor que la del Sol y una estrella de neutrones mucho más pequeña, con cerca de dos masas solares. La otra tuvo lugar entre un agujero negro seis veces más masivo que el Sol y una estrella de neutrones de 1,5 masas solares. En ambos casos, las estrellas de neutrones fueron completamente devoradas por sus oscuros compañeros. Las diferencias de masa entre los componentes de los dos sistemas indica que de hecho son 'binarios mixtos ': la masa de los objetos más pesados corresponden a las de dos agujeros negros, mientras que la masa de los objetos más ligeros es consistente con las de dos estrella de neutrones

De inmediato, astrónomos de todo el mundo fueron alertados de los dos eventos para que trataran de encontrar en el cielo destellos de luz asociados a ellos. Pero no fue posible. Lo cual no resulta sorprendente debido a la gran distancia a la que se produjeron estas fusiones, lo que significa que cualquier luz que provenga de ellas, sin importar la longitud de onda, sería muy tenue y difícil de detectar incluso con los telescopios más potentes .

La diferencia entre las dos masas, además, también podría explicar por qué los telescopios no detectaron señales de luz. En otras ocasiones, cuando una estrella de neutrones se acerca a un agujero negro, puede ser destrozada por sus fuerzas gravitatorias, provocando llamaradas de radiación electromagnética. Sin embargo, en los dos casos observados, los agujeros negros, mucho más masivos, devoraron a las estrellas de neutrones de un solo bocado, sin dejar rastro de ellas.

Se han propuesto varias hipótesis para explicar la formación de esta clase de sistemas binarios mixtos. El primero implica la evolución de un par de estrellas en órbita una alrededor de la otra. Hacia el final de sus vidas, una de las estrellas podría convertirse en un agujero negro y la otra en una estrella de neutrones, sin dejar en ningún momento de orbitarse entre sí. Según la otra hipótesis, la de la interacción dinámica, los dos componentes del par se forman independientemente en un medio estelar muy denso antes de unirse .

Hasta ahora, se habían detectado numerosas colisiones entre dos agujeros negros, o entre dos estrellas de neutrones, pero nunca una en la que se mezclaran los dos tipos de objetos. «Ahora -dice Scott- hemos completado la última pieza del rompecabezas con las primeras observaciones confirmadas de ondas gravitacionales generadas por la colisión de un agujero negro y una estrella de neutrones» .