Un grupo de investigadores ha detectado la onda gravitacional más masiva captada hasta la fecha. Un fenómeno tan intrigante como desconcertante, porque nos sumerge de lleno en el mundo de los agujeros negros. Plantea un dilema que abre más preguntas de las que cierra…
La onda gravitacional más masiva detectada, por ahora, es una gran incógnita
Un equipo de investigadores ha captado la onda gravitacional más masiva captada hasta la fecha. Es el resultado de la fusión de dos agujeros negros, los más masivos que se han detectado por ahora. Podría pensarse, por tanto, que estamos ante una colisión rutinaria, pero nada más lejos de la verdad. El agujero final, resultado de la fusión, parece la primera detección de un agujero negro de masa intermedia. Es decir, entre los agujeros negros de masa estelar, producto del colapso de estrellas masivas, y los agujeros negros supermasivos.
La señal GW190521, fue detectada el 21 de mayo de 2019, con los detectores LIGO y VIRGO. LIGO está compuesto por dos instalaciones. Una ubicada en Livingston, Luisiana, la otra en Hanford, Washington. VIRGO, por su parte, se encuentra en Pisa, Italia. La señal, de apenas una décima de segundo, se emitió hace unos 7000 millones de años y es una de las ondas gravitacionales más lejanas detectadas. Casi todas las ondas gravitacionales detectadas han sido el resultado de una colisión entre dos objetos.
Tanto dos agujeros negros, como dos estrellas de neutrones. En este caso, parece que los responsables serían dos agujeros negros, con 85 y 66 veces la masa del Sol, respectivamente. Por lo que la señal se emitió en el momento en que ambos se fusionaron. El agujero negro resultante tiene unas 142 masas solares. Aproximadamente, en esa fusión, se liberó una cantidad de energía equivalente a 8 veces la masa del Sol, que ha viajado por el universo en forma de ondas gravitacionales hasta que, finalmente, se detectó en la Tierra en 2019.
El origen de los agujeros negros de la colisión
Todo esto ha dado como resultado dos estudios publicados el 2 de septiembre en dos revistas diferentes, mencionadas al final del artículo. Los investigadores han destacado que el hallazgo es muy importante por varios motivos. Por un lado, por la incógnita que plantea en cuanto al origen de ambos agujeros negros. Por otro, porque resalta la capacidad de detección de las instalaciones de LIGO y VIRGO. La cuestión más atractiva, probablemente, es la masa de los dos agujeros negros participantes en la colisión, y la del agujero negro final.
Normalmente, los agujeros negros se clasifican en dos grupos diferentes. Por un lado, los agujeros negros de masa estelar. Son el producto de la muerte de las estrellas más masivas del universo. Esos agujeros negros suelen tener hasta decenas de veces la masa del Sol. Por otro lado, los agujeros negros supermasivos. Estos se encuentran en el centro de las galaxias grandes, como la Vía Láctea o Andrómeda, y tienen desde cientos de miles a miles de millones de veces la masa del Sol. El agujero negro resultante de la colisión tiene 142 masas solares.
Se encuentra entre las masas de ambas categorías. Por lo que parece ser el primero de su tipo que se ha detectado hasta ahora, una tercera categoría, que siempre se ha planteado de forma teórica, conocida como agujeros negros de masa intermedia. Los dos agujeros negros responsables también son tremendamente masivos. Su origen, se cree, no podría estar en la muerte de estrellas masivas, porque se encontrarían en una franja en la que las estrellas no deberían poder dar lugar a la formación de un agujero negro como los observados.
La franja de inestabilidad de pares
En circunstancias normales, los fotones y el gas, en el núcleo de la estrella, ejercen una presión hacia el exterior. A su vez, la gravedad ejerce una presión hacia el interior. De tal manera que nos encontramos con un astro estable, como el Sol. Cuando el núcleo de una estrella muy masiva termina de fusionar hierro, es incapaz de producir la presión suficiente para retener sus capas externas. Cuando la presión hacia el exterior es inferior a la gravedad, la estrella colapsa bajo su propio peso. se produce una supernova y queda tras de sí un agujero negro.
Este método, sin embargo, solo sirve para estrellas de hasta 130 veces la masa del Sol, que pueden producir agujeros negros de hasta 65 masas solares. En el caso de estrellas más pesadas, se produce un fenómeno diferente: la inestabilidad de pares. Cuando los fotones del núcleo se vuelven muy energéticos, pueden convertirse en una pareja de electrón y antielectrón. Estos pares generan menos presión que los fotones, por lo que la estrella se vuelve inestable frente al colapso gravitacional. La explosión es tan potente que no queda nada tras de sí.
En el caso de estrellas todavía más masivas, por encima de 200 veces la masa del Sol, tarde o temprano colapsarían, directamente, a agujeros negros con, al menos, 120 masas solares. Por lo que, en teoría, no debería haber ningún agujero negro con entre 65 y 120 masas solares. Es lo que se conoce como instability mass gap en inglés, que se traduce, aproximadamente, como franja de masa de inestabilidad de pares. De ahí la sorpresa de los investigadores al observar que uno de los agujeros negros debía tener, antes de la fusión, 85 masas solares.
Posibles explicaciones para los agujeros negros de la onda gravitacional más masiva detectada por ahora
Aunque no hay una explicación clara para la presencia de ese agujero negro, los investigadores plantean diferentes posibilidades. Es posible que se trate de una fusión jerárquica. Es decir, los agujeros negros, responsables de la colisión detectada, son, a su vez, el producto de otras colisiones anteriores, de agujeros negros de menor masa. Con el paso del tiempo, ambos agujeros negros resultantes terminaron acercándose, hasta dar lugar a la fusión detectada en esta ocasión. Si bien explican que es algo que abre más preguntas de las que responde.
Pero hay otras preguntas en el aire sobre la onda gravitacional GW190521. Los investigadores explican que hay dos métodos diferentes para analizar los datos que recogen los detectores de LIGO y VIRGO. Por un lado, señales más concretas, que podrían ser el resultado de una fusión de un sistema binario. Por otro, búsquedas más generales, que intentan encontrar algo fuera de lo común. Según han explicado, la detección se produjo con el segundo método. Algo que abre la posibilidad, pequeña, de que fuese algo diferente a una fusión.
La explicación más sencilla, sin embargo, es suponer que se trata de una fusión de agujeros negros. Cabe la posibilidad, aunque sea remota, de que el origen de esta onda gravitacional sea, en realidad, algo completamente nuevo. ¿El qué exactamente? Plantean opciones como las ondas gravitacionales producidas por el colapso de una estrella en nuestra propia galaxia. También la señal producida por una cuerda cósmica, producida tras la expansión inicial del universo. Pero ambas son posibilidades exóticas que no encajan tan bien como la fusión de agujeros negros.
Todos los escenarios son interesantes
Se mire por donde se mire, se trata de algo extremadamente interesante. Si lo observado resulta ser una colisión de agujeros negros, es una oportunidad para entender mejor su formación. Tanto porque su origen sea por la fusión previa de otros agujeros negros, como porque pueda ser el producto del colapso de una estrella muy masiva. Son modelos diferentes que explicarían cómo funciona el mundo de los agujeros negros. También podría ayudar a, por fin, disipar las dudas sobre la existencia de agujeros negros de masa intermedia.
También cabe la posibilidad de que realmente sea un fenómeno exótico. Los investigadores, sin embargo, insisten en este punto en que lo que mejor encaja es la colisión de agujeros negros. Pero al ser un fenómeno extremo, esas explicaciones podrían tener cabida, por remota que pueda ser. Es decir, podríamos estar ante una señal de que hay fenómenos, desconocidos hasta ahora, que estamos comenzando a observar con la ayuda de tecnología cada vez más potente. Sin embargo, incluso si fuese así, habrá que esperar una buena temporada para que se confirmase.
Sea como fuere, lo más interesante es que, tal y como explican los investigadores, es algo que desafía a la comprensión del universo. Pone a prueba las suposiciones realizadas. Eso es interesante porque supone una oportunidad para descubrir algo nuevo. Quien sabe, quizá algo inesperado que pueda ser una revolución. Probablemente, en el futuro, volveremos a oír hablar de esta detección. Es la onda gravitacional más masiva que se ha detectado. Al menos por ahora, y como tal, ya ha captado la atención de todo el mundo…
Estudio
Los estudios son:
R. Abbott et al.; «GW190521: A Binary Black Hole Merger with a Total Mass of 150 M⊙», publicado en la revista Phyisical Review Letters el 2 de septiembre de 2020, disponible en este enlace.
R. Abbott, T. Abbott, S. Abraham et al.; «Properties and Astrophysical Implications of the 150 M ⊙ Binary Black Hole Merger GW190521″. Publicado en la revista The Astrophysical Journal Letters el 2 de septiembre de 2020. Puede consultarse en este enlace.
Referencias: LIGO Caltech
