La fusión de dos agujeros negros crea las ondas gravitacionales más masivas observadas hasta la fecha y forma un tipo nuevo de agujero negro

Impresión artística de la fusión de los agujeros negros. -Imagen LIGO.-

LIGO y VIRGO detectadan las ondas gravitacionales más masivas observadas hasta el momento, producto de la fusión de dos agujeros negros de aproximadamente 85 y 66 masas solares, cuyo resultado produjo la formación de un agujero negro de aproximadamente 142 masas solares, en el evento se transformaron en energía al menos 8 masas solares, creando las ondas gravitacionales ahora captadas…. Distorsionar el tejido del espacio tiempo no sale barato.

A pesar de sus gigantescas dimensiones el Universo vibra en forma de ondas gravitacionales, producidas por fenómenos astrofísicos extremos, estas reverberaciones ondulan y sacuden el tejido del espacio-tiempo, como el sonido de una campana cósmica.

Ahora, los investigadores han detectado una señal de lo que puede ser la fusión de agujeros negros más masiva observada hasta ahora en ondas gravitacionales. El producto de la fusión es la primera detección clara de un agujero negro de "masa intermedia", con una masa entre 100 y 1.000 veces la del Sol.

Detectaron la señal, que han etiquetado como GW190521, el 21 de mayo de 2019, con el Observatorio de ondas gravitacionales del interferómetro láser (LIGO) de la National Science Foundation, un par de interferómetros idénticos de 4 kilómetros de largo en los Estados Unidos; y Virgo, un detector de 3 kilómetros de longitud en Italia.

La señal, que se asemeja a unos cuatro movimientos cortos, es de duración extremadamente breve, menos de una décima de segundo. Por lo que los investigadores pueden decir, GW190521 fue generado por una fuente que se encuentra aproximadamente a 5 gigaparsecs de distancia, cuando el universo tenía aproximadamente la mitad de su edad, lo que lo convierte en una de las fuentes de ondas gravitacionales más distantes detectadas hasta ahora.

En cuanto a lo que produjo esta señal, basada en un poderoso conjunto de herramientas computacionales y de modelado de última generación, los científicos creen que lo más probable es que GW190521 haya sido generado por una fusión binaria de agujeros negros con propiedades inusuales.

Casi todas las señales de ondas gravitacionales confirmadas hasta la fecha provienen de una fusión binaria, ya sea entre dos agujeros negros o dos estrellas de neutrones. Esta fusión más reciente parece ser la más masiva hasta el momento, involucrando dos agujeros negros inspiradores con masas entre 85 y 66 veces la masa del Sol.

El equipo de LIGO-Virgo también midió el giro de cada agujero negro y descubrió que a medida que los agujeros negros giraban cada vez más cerca, podrían haber estado girando sobre sus propios ejes, en ángulos que no estaban alineados con el eje de su órbita. Los giros desalineados de los agujeros negros probablemente causaron que sus órbitas se tambalearan, o "precesasen", mientras los dos Goliats giraban en espiral hacia el otro.

La nueva señal probablemente representa el instante en que los dos agujeros negros se fusionaron. La fusión creó un agujero negro aún más masivo, de aproximadamente 142 masas solares, y liberó una enorme cantidad de energía, equivalente a alrededor de 8 masas solares, esparcida por todo el universo en forma de ondas gravitacionales.

"Esto no se parece mucho a un chirrido, que es lo que normalmente detectamos", dice el miembro de Virgo Nelson Christensen, investigador del Centro Nacional Francés de Investigación Científica (CNRS), comparando la señal con la primera detección de ondas gravitacionales de LIGO en 2015. 

"Esto es más como algo que hace 'bang', y es la señal más masiva que LIGO y Virgo han visto".

El equipo internacional de científicos, que conforman la Colaboración Científica LIGO (LSC) y la Colaboración Virgo, ha informado de sus hallazgos en dos artículos publicados hoy. Uno, que aparece en Physical Review Letters , detalla el descubrimiento, y el otro, en The Astrophysical Journal Letters , analiza las propiedades físicas de la señal y las implicaciones astrofísicas.

“LIGO una vez más nos sorprende no solo con la detección de agujeros negros en tamaños difíciles de explicar, sino hacerlo utilizando técnicas que no fueron diseñadas específicamente para fusiones estelares”, dice Pedro Marronetti, director del programa de física gravitacional de National Science. Fundación. “Esto es de tremenda importancia ya que muestra la capacidad del instrumento para detectar señales de eventos astrofísicos completamente imprevistos. LIGO demuestra que también puede observar lo inesperado ".

En la brecha de masas

Las masas excepcionalmente grandes de los dos agujeros negros que se fusionaron, así como el agujero negro final, plantean una gran cantidad de preguntas sobre su formación.

Todos los agujeros negros observados hasta la fecha encajan en una de dos categorías: agujeros negros de masa estelar, que miden desde unas pocas masas solares hasta decenas de masas solares y se cree que se forman cuando mueren las estrellas masivas; o agujeros negros supermasivos, como el del centro de la Vía Láctea, que van desde cientos de miles hasta miles de millones de veces el de nuestro Sol.

Sin embargo, el último agujero negro de 142 masas solares producido por la fusión GW190521 se encuentra dentro de un rango de masa intermedio entre los agujeros negros de masa estelar y supermasivos, el primero de su tipo jamás detectado.

Los dos agujeros negros progenitores que produjeron el agujero negro final también parecen ser únicos en su tamaño. Son tan masivos que los científicos sospechan que uno o ambos pueden no haberse formado a partir de una estrella que colapsa, como ocurre con la mayoría de los agujeros negros de masa estelar.

De acuerdo con la física de la evolución estelar, la presión hacia afuera de los fotones y el gas en el núcleo de una estrella la sostiene contra la fuerza de gravedad que empuja hacia adentro, de modo que la estrella es estable, como el Sol. Después de que el núcleo de una estrella masiva fusiona núcleos tan pesados como el hierro, ya no puede producir suficiente presión para soportar las capas externas. Cuando esta presión hacia afuera es menor que la gravedad, la estrella colapsa por su propio peso, en una explosión llamada supernova de colapso del núcleo, que puede dejar un agujero negro.

Este proceso puede explicar cómo estrellas tan masivas como 130 masas solares pueden producir agujeros negros de hasta 65 masas solares. Pero para las estrellas más pesadas, se cree que se produce un fenómeno conocido como "inestabilidad de pares". Cuando los fotones del núcleo se vuelven extremadamente energéticos, pueden transformarse en un par de electrones y antielectrones. Estos pares generan menos presión que los fotones, lo que hace que la estrella se vuelva inestable frente al colapso gravitacional, y la explosión resultante es lo suficientemente fuerte como para no dejar nada atrás. Incluso estrellas más masivas, por encima de las 200 masas solares, eventualmente colapsarían directamente en un agujero negro de al menos 120 masas solares. Una estrella en colapso, entonces, no debería ser capaz de producir un agujero negro entre aproximadamente 65 y 120 masas solares, un rango que se conoce como la "brecha de masa de inestabilidad de pares".

Pero ahora, el más pesado de los dos agujeros negros que produjeron la señal GW190521, a 85 masas solares, es el primero hasta ahora detectado dentro de la brecha de masa de inestabilidad del par.

"El hecho de que estemos viendo un agujero negro en esta brecha masiva hará que muchos astrofísicos se rasquen la cabeza y traten de averiguar cómo se hicieron estos agujeros negros", dice Christensen, quien es el director del Laboratorio Artemis en el Bonito Observatorio en Francia.

Una posibilidad, que los investigadores consideran en su segundo artículo, es una fusión jerárquica, en la que los dos agujeros negros progenitores pueden haberse formado a partir de la fusión de dos agujeros negros más pequeños, antes de migrar juntos y finalmente fusionarse.

“Este evento abre más preguntas que respuestas”, dice Alan Weinstein, miembro de LIGO y profesor de física en Caltech. "Desde la perspectiva del descubrimiento y la física, es algo muy emocionante".

"Algo inesperado"

Quedan muchas preguntas pendientes con respecto a GW190521.

A medida que los detectores LIGO y Virgo escuchan las ondas gravitacionales que atraviesan la Tierra, las búsquedas automáticas peinan los datos entrantes en busca de señales interesantes. Estas búsquedas pueden utilizar dos métodos diferentes: algoritmos que seleccionan patrones de ondas específicos en los datos que pueden haber sido producidos por sistemas binarios compactos; y búsquedas "ráfagas" más generales, que esencialmente buscan cualquier cosa fuera de lo común.

El miembro de LIGO, Salvatore Vitale, profesor asistente de física en el MIT, compara las búsquedas binarias compactas con "pasar un peine a través de los datos, que capturarán las cosas en un espacio determinado", en contraste con las búsquedas de ráfagas que son más un enfoque de "captura todo" .

En el caso de GW190521, fue una búsqueda de ráfagas que recogió la señal un poco más claramente, abriendo la posibilidad muy pequeña de que las ondas gravitacionales surgieran de algo más que una fusión binaria.

“El listón para afirmar que hemos descubierto algo nuevo es muy alto”, dice Weinstein. “Por lo que normalmente aplicamos la navaja de Occam: la solución más simple es la mejor, que en este caso es un agujero negro binario”.

Pero, ¿y si algo completamente nuevo produjera estas ondas gravitacionales? Es una perspectiva tentadora, y en su artículo los científicos consideran brevemente otras fuentes en el universo que podrían haber producido la señal que detectaron. Por ejemplo, quizás las ondas gravitacionales fueron emitidas por una estrella en colapso en nuestra galaxia. La señal también podría provenir de una cadena cósmica producida justo después de que el universo se inflara en sus primeros momentos, aunque ninguna de estas exóticas posibilidades coincide con los datos, así como con una fusión binaria.

“Desde que encendimos LIGO por primera vez, todo lo que hemos observado con confianza ha sido una colisión de agujeros negros o estrellas de neutrones”, dice Weinstein. “Este es el único evento en el que nuestro análisis permite la posibilidad de que este evento no sea tal colisión. Aunque este evento es consistente con ser de una fusión de agujeros negros binarios excepcionalmente masiva, y las explicaciones alternativas están desfavorecidas, está empujando los límites de nuestra confianza. Y eso potencialmente lo hace extremadamente emocionante. Porque todos hemos estado esperando algo nuevo, algo inesperado, que pueda desafiar lo que ya hemos aprendido. Este evento tiene el potencial para hacer eso".

Fuentes: Comunicado de LIGO (en inglés)
Comunicado del VIRGO (en español)