Los sistemas formados por agujeros negros y estrellas de neutrones, dos de los objetos más extremos que pueblan el universo, existen y pueden ser detectados a través de las ondas gravitacionales. Es el hallazgo de varios grupos de científicos de EE UU y Europa, que han captado estas parejas predichas por la comunidad astronómica hace varias décadas, pero nunca antes observadas con certeza.

El primer agujero negro conocido es más masivo de lo pensado

Este descubrimiento, publicado este martes en The Astrophysical Journal Letters, ha sido posible gracias a los detectores LIGO, en Estados Unidos, y VIRGO, en Europa, que captaron en enero de 2020 dos eventos en los que un agujero negro engullía a una estrella de neutrones. Ambos fenómenos ocurrieron hace cientos de millones de años y fueron observados por los investigadores con una separación de apenas diez días al percibir las ondas gravitacionales, que han estado viajando hacia la Tierra a la velocidad de la luz.

Las ondas gravitacionales son perturbaciones en la curvatura del espacio-tiempo creadas por objetos masivos en movimiento. Durante los cinco años transcurridos desde que se midieron por primera vez, un hallazgo que recibió el Premio Nobel de Física de 2017, los investigadores han identificado más de 50 señales de este tipo procedentes de la fusión de pares de agujeros negros y de pares de estrellas de neutrones, que son ambos los cadáveres de estrellas de gran masa. Ahora es la primera vez que se detecta un sistema mixto de ambos objetos.

Encontrado el "sistema binario perdido"

La primera de estas fusiones fue captada el 5 de enero de 2020 y en ella estaban involucrados un agujero negro y una estrella de neutrones nueve y dos veces más masivos que el Sol, respectivamente. El evento tuvo lugar a una distancia de 900 millones de años luz de la Tierra. En esta ocasión, la señal observada solo fue intensa en uno de los detectores, por lo que la ubicación exacta de este fenómeno es incierta, en algún lugar de una zona que tiene 34.000 veces el tamaño de una luna llena.

La segunda fusión fue detectada el 15 de enero de ese mismo año y en ella intervinieron un agujero negro y una estrella de neutrones con una masa equivalente a seis y una vez y media la del Sol, respectivamente. El evento sucedió a 1.000 millones de años luz del planeta.

"Con este nuevo descubrimiento de la fusión entre una estrella de neutrones y un agujero negro, hemos encontrado el sistema binario perdido"

"Con este nuevo descubrimiento de la fusión entre una estrella de neutrones y un agujero negro fuera de nuestra galaxia, hemos encontrado el sistema binario perdido. Ahora podemos finalmente empezar a entender cuántas de estas combinaciones existen, cada cuánto se fusionan y por qué no hay casos en la Vía Láctea", explica Astrid Lamberts, investigadora del Centro Nacional de Investigación Científica francés (CNRS) y miembro de la colaboración Virgo en los laboratorios Artemis y Lagrange, en Niza.

Sin señales luminosas

Observan una actividad nunca vista en uno de los imanes más fuertes del cosmos

Tras la detección de las dos ondas, astrónomos de todo el globo fueron avisados para que buscasen en el cielo algún tipo de "flash". Sin embargo, no vieron nada. Aunque las fusiones entre estrellas de neutrones y agujeros negros pueden producir, en principio, luz en todo el espectro electromagnético, no es raro que nadie captase señales de este tipo. 

Esto se debe, en primer lugar, a que ambos eventos se produjeron a una distancia de la Tierra lo bastante grande como para que la detección de luz fuera difícil. Además, es probable que las fusiones no emitieran ningún destello porque sus agujeros negros tenían el tamaño suficiente como para tragarse las estrellas de neutrones enteras sin descomponerlas.

"No se trata de eventos en los que los agujeros negros se coman las estrellas de neutrones como el monstruo de las galletas y arrojen trozos. Ese 'lanzamiento' es lo que produciría la luz, y no creemos que haya ocurrido en estos casos", explica Patrick Brady, profesor de la Universidad de Wisconsin-Milwaukee y portavoz de la colaboración científica LIGO.

"No se trata de eventos en los que los agujeros negros se coman las estrellas de neutrones como el monstruo de las galletas y arrojen trozos"

¿Cómo se forman y con qué frecuencia?

En cuanto al proceso de formación de estos sistemas binarios mixtos, existen dos posibilidades principales. La primera comienza con dos estrellas que orbitan entre sí y, al envejecer, estallan en explosiones de supernova de tal manera que una crea un agujero negro y la otra, una estrella de neutrones. 

La otra opción es que la estrella de neutrones y los agujeros negros se formen a partir de estrellas separadas en explosiones de supernovas no relacionadas, y solo después se encuentren. Puede ocurrir en entornos estelares densos como los cúmulos globulares.

La observación de estos dos sistemas binarios mixtos permite estimar que entre 5 y 15 sistemas de este tipo se fusionan al año a una distancia de mil millones de años luz. Para captar mejor estas señales, LIGO, VIRGO y el japonés KAGRA están incrementando su sensibilidad de cara al verano de 2022, con lo que esperan detectar las ondas de fusión hasta una vez al día y medir mejor las propiedades de los agujeros negros y de la materia superdensa que compone las estrellas de neutrones, explica Brady.