Un equipo liderado por personal investigador del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) y el Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ) ha realizado, con el Gran Telescopio Canarias (GTC o Grantecan) y el telescopio Subaru, el seguimiento más amplio y profundo hasta la fecha de una colisión de agujeros negros detectada previamente en ondas gravitacionales. Las observaciones no mostraron ninguna señal óptica en la dirección del fenómeno, lo que significa que si la fusión de agujeros negros emitió algún tipo de luz, ésta fue más débil que el límite de detección de estos dos telescopios y sus instrumentos. Este resultado establece un límite observacional a la detección de emisiones electromagnéticas procedentes de este tipo de eventos.

Desde la primera detección directa de ondas gravitacionales con LIGO en 2015, la astronomía de ondas gravitacionales ha atraído la atención de equipos de investigación de todo el mundo. En 2017, se detectó el evento de ondas gravitacionales de la fusión de la estrella de neutrones binaria GW170817. Este fue el primer y único evento de ondas gravitacionales hasta la fecha del que se ha detectado su contrapartida en gran parte del espectro electromagnético.

Los detectores de ondas gravitacionales no sólo detectan este tipo de fusiones de estrellas de neutrones, sino también de agujeros negros con estrellas de neutrones y de dos agujeros negros. De hecho, el número de eventos de ondas gravitacionales procedentes de fusiones de dos agujeros negros supera el 90% de todas las detecciones de ondas gravitacionales realizadas hasta la fecha. 

Debido al fuerte campo gravitatorio, ni siquiera la luz puede escapar de un agujero negro, por lo que no se esperaba que las fusiones de dos agujeros negros fueran acompañadas de emisiones electromagnéticas. Sin embargo, en 2019? se detectó una posible emisión electromagnética procedente de dos agujeros negros en el evento de ondas gravitacionales GW190521. Desde un punto de vista teórico se han propuesto múltiples mecanismos que explican la emisión electromagnética, pero la comunidad científica sigue sin estar completamente segura. 

Por ello, las observaciones de seguimiento en múltiples frecuencias son importantes para aclarar si la fusión de dos agujeros negros va acompañada de emisión electromagnética y, en caso afirmativo, cuál es su intensidad. "Aunque el marco teórico de la emisión electromagnética de las fusiones de agujeros negros binarios está aún en discusión, las observaciones son cruciales para sondear las distintas posibilidades", explica Josefa Becerra González, investigadora del IAC que colidera esta investigación.

El 24 de febrero de 2020, LIGO y Virgo detectaron la onda gravitacional procedente de la fiusión de un agujero negro binario denominada GW200224_222234. Ahora, un equipo de investigación dirigido por Takayuki Ohgami, en el NAOJ, y Josefa Becerra, en el IAC, ha realizado observaciones conjuntas de seguimiento de esta región con el instrumento Hyper Suprime-Cam (HSC) del Telescopio Subaru y el instrumento OSIRIS del Gran Telescopio CANARIAS.

Tomoki Morokuma, investigador del Instituto de Tecnología de Chiba y coinvestigador principal de la colaboración, señala: "La cooperación de los telescopios Subaru y GTC nos proporciona una sinergia muy singular para realizar observaciones de seguimiento fotométricas profundas y amplias con Subaru junto con las potentes capacidades espectroscópicas que proporciona GTC. Esta colaboración ofrece una oportunidad clave para revelar por primera vez la naturaleza de la posible radiación electromagnética de las fusiones de agujeros negros binarios."

Los detectores de ondas gravitacionales suelen tener un amplio margen de error. La precisión en la dirección de llegada de la señal suele ser de unos 500 grados cuadrados (unas 2.000 lunas llenas). Sin embargo, el error de posición de GW200224_2222234 fue unas 10 veces menor debido a su fuerte emisión, cubriendo unos 50 grados cuadrados (200 lunas llenas). 

El equipo de investigación inició una búsqueda de la contrapartida electromagnética de GW200224_2222234 y consiguió observar casi la totalidad (91%) de la dirección de llegada de la señal tan sólo 12 horas después de la detección del evento de ondas gravitacionales. Se trata del primer seguimiento en profundidad de una fusión de dos agujeros negros que cubre más del 90% de la dirección de llegada. 

Con el sondeo del instrumento HSC de Subaru, el equipo encontró 22 fuentes transitorias, es decir, objetos cuya emisión se produce solo durante un tiempo determinado, distintos de supernovas (un tipo de evento transitorio que ocurre al final de la vida de las estrellas), realizando observaciones espectroscópicas de seguimiento de 5 de ellas con OSIRIS en GTC para medir las distancias a sus galaxias anfitrionas. 

"Gracias al telescopio Subaru y al GTC, hemos podido realizar un seguimiento amplio y profundo sin precedentes de un evento de ondas gravitacionales procedente de la coalescencia de un agujero negro binario, pero no detectamos ninguna contrapartida electromagnética evidente”, subraya Nozomu Tominaga, investigador del NAOJ. “Necesitamos continuar el seguimiento de las ondas gravitacionales procedentes de coalescencias de agujeros negros binarios para buscar una emisión electromagnética firme y estudiar su diversidad”, añade.

Las observaciones de ondas gravitacionales se reanudarán en mayo de 2023 con los detectores de ondas gravitacionales LIGO, Virgo y KAGRA. Con su rendimiento mejorado, detectarán más eventos de ondas gravitacionales procedentes de la fusión de estrellas de neutrones y agujeros negros. El equipo de investigación continuará con observaciones de seguimiento utilizando el telescopio Subaru y el GTC para desentrañar el misterio de la emisión electromagnética en la colision de agujeros negros y revelar la diversidad de sucesos de ondas gravitacionales.

Artículo: Takayuki Ohgami, Josefa Becerra Gonzalez et al. "Follow-up survey for the binary black hole merger GW200224_222234 using Subaru/HSC and GTC/OSIRIS", The Astrophysical Journal, 947 9. DOI: 10.3847/1538-4357/acbd42

Contacto en el IAC:
Josefa Becerra González, josefa.becerra.gonzalez [at] iac.es (josefa[dot]becerra[dot]gonzalez[at]iac[dot]es)