Descubren el agujero negro más masivo detectado con ondas gravitacionales

Dos observatorios astronómicos en Europa y Estados unidos captan señales de una onda gravitacional supermasiva resultante de la colisión de dos agujeros negros más potente nunca observada. La explosión se originó hace unos 7.000 millones de años, antes de la formación del sistema solar, su explicación desconcierta a la comunidad científica, incapaz de explicar el fenómeno con las teorías astrofísicas actuales.

Evento masivo

Evento masivo

Recreación del sistema binario masivo, bautizado como GW190521 –pues la onda gravitacional se percibió el 21 de mayo de 2019.

Ilustración: Observatorio Virgo

Evento masivo

La captación de la primera onda gravitacional jamás documentada espoleó a la comunidad científica en 2016. Tanto fue la fascinación generada en aquel momento que el descubrimiento valió a los científicos Rainer Weiss, Barry C. Barish y en Kip S. Thorne el premio Nobel de Física del año siguiente. El fenómeno no era para nada nuevo. Se trataba de un principio ya descubierto por Einstein hace un siglo, del que nunca se había podido demostrar su existencia. Entonces, los astrofísicos británicos detectaron una señal provocada por un evento astronómico masivo producido hace 1.300 millones de años. Ahora, la detección de una nueva onda gravitacional surgida de un fenómeno mucho más anterior, datado en unos 7.000 millones de años, amenaza con sacudir los cimientos de la astrofísica, pues los científicos no se explican qué fenómeno supermasivo pudo originar un acontecimiento de tal magnitud.

Pliegues del espacio-tiempo

La existencia de ondas gravitacionales fue vaticinada por Einstein en 1915 en su planteamiento de la Teoría de la Relatividad General. El físico desveló entonces que espacio y tiempo están unidos en una trama flexible, curvada y deformada por la materia, y que la fuerza de la gravedad no es más que la materia deslizándose por las curvaturas del espacio-tiempo.

Una esfera sobre una sábana extendida

Einstein entendía el movimiento de los cuerpos en un campo gravitatorio como el desplazamiento de una esfera pesada sobre una hipotética sábana tensada por los extremos. Al agitar con suavidad la sábana, desatarán sobre la tela un oleaje de surcos y pliegues que pondrá la bola en movimiento. De este modo, la inercia impulsará al objeto a dibujar toda clase de trayectorias, a medida que evita pequeños montículos, rueda cuesta abajo en las pendientes o se frena. La forma que adopta la superficie de la sábana dictará así el recorrido de la bola, que a su vez creará un pliegue que deformará a su paso la superficie tensada de la sábana. Ese pliegue podría compararse con esas ondas gravitatorias descritas por el premio Nobel de Física.

La detección de de una nueva onda gravitacional surgida de un fenómeno mucho más anterior, datado en unos 7.000 millones de años, amenaza con sacudir los cimientos de la astrofísica

Cuando las masas son pequeñas la deformación que provoca el objeto es muy débil. Imaginemos, por ejemplo, si en lugar de una bola pesada desplazásemos una canica. La sábana prácticamente quedaría inalterada. Si por el contrario, la masa es grande (imaginemos una bola de acero sobre la sábana anterior, o una persona saltando sobre un colchón), la superficie se deformará. Cuando esas masas se desplazan y se aceleran a su paso, esas deformaciones que se propagan a través del espacio son las denominadas ondas gravitacionales, que se extenderían de una forma similar a las olas que provocamos cuando lanzamos una piedra a un estanque.

Una señal desconcertante

Ahora, dos detectores separados por miles de kilómetros han detectado una onda gravitacional supermasiva e inexplicable científicamente. En concreto, la señal se captó el 21 de mayo de 2019 y duró apenas una décima de segundos, pero fue captada por los detectores LIGO, de Estados Unidos y Virgo de Italia, separados por miles de kilómetros de distancia. Su reconstrucción ha permitido a los científicos investigar el origen del fenómeno, así como su posible explicación científica.

"Las ondas gravitacionales se generan cuando hay agitaciones de cantidades astronómicas de materia. Algunas de estas agitaciones como es el choque de dos agujeros negros en principio no genera ningún otro tipo de emisión (por ejemplo, no generan luz), por lo que solamente podemos detectar este fenómeno de choque a través de las ondas de genera. La idea entonces es reconstruir a partir de las ondas recibidas cómo fue el choque, qué tipo de objetos chocaron, donde se produjo el encuentro..." explica el astrofísico Carlos Barceló, del Instituto de Astrofísica de Andalucía, a National Geographic España-

Una explosión cósmica ocurrida a 17.000 años luz hace 7.000 millones de años

Los astrofísicos han concluido que la explosión cósmica se produjo a una distancia de 17.000 millones de años luz, cuando dos agujeros negros, de 66 y 85 masas solares, se fusionaron dando lugar a un nuevo agujero negro masivo, de alrededor de 142 masas solares. El choque tuvo lugar hace unos 7.000 millones de años, antes de la formación del sistema solar. El fenómeno desconcierta sumamente a la comunidad científica, el agujero negro supermasivo se sitúa en un rango de masas muy superior al que se había observado hasta la fecha. En otras palabras, su mera detección confirmaría la existencia del agujero negro más masivo jamás detectado a partir de las ondas gravitacionales previamente descritas, lo que lleva inexorablemente al replanteamiento de los preceptos de la astrofísica moderna si quieren hacerlas cuadrar con los principios de la relatividad general descritos por Einstein hace más de un siglo.

Tipos de agujeros negros

Para entender mejor la excepcionalidad del fenómeno recién descubierto es necesario recopilar los tipos de agujeros negros de los que se tiene constancia hasta la fecha.

  • Por un lado, se encuentran los agujeros negros de masa estelar, cuya masa es de unas pocas decenas de veces la masa solar. Se cree que se formaron a partir del colapso del núcleo de una estrella masiva, mediante explosiones de supernova.
  • Por otro lado, se encuentran los agujeros negros supermasivos, con una masa que oscila entre centenas de miles hasta miles de millones de veces la masa del Sol. Este es el caso del agujero negro que se encuentra en el centro de la Vía Láctea, con una masa alrededor de 4 millones de veces la del Sol. Los científicos desconocen todavía cómo se formaron, por lo que el fenómeno recién descubierto podría arrojar importantes pistas.

Entre unos y otros existe un enorme libro blanco sobre el que la ciencia todavía no ha obtenido pruebas. El quid de la cuestión lo planteó el propio Einstein. Si tenemos en cuenta los preceptos de la astrofísica y los postulados de la teoría de la relatividad, una estrella masiva de entre 65 y 120 masas solares muere sin dejar rastro alguno. Entonces, ¿cómo se explica que se haya detectado ondas gravitacionales de unos agujeros negros tan masivos? Una posible respuesta es que no son el resultado de una estrella, sino que habría que buscar su origen en cualquier otro fenómeno.

"La estadística completa de cuantos agujeros negros hay y de que masas es algo que solamente está calculado con hipótesis astrofísicas, y es posible que algunas de las cuales tengan que ser revisadas cuando se vayan acumulando datos reales, como los de esta detección", explica Barceló, quien cuenta que la existencia de un agujero negro de 85 masas estelares no es que sea imposible de explicar, simplemente es que no encaja con las ideas más estándar de cómo se forman estos fenómenos. La estrellas que nacen con mucha masa tienen una vida corta y se supone que estallan como supernovas, desaciéndose de la mayor parte de su material original. En su núcleo puede formarse un agujero negro, pero de mucha menor masa. Los modelos de formación y muerte estelar indican que no se deberían formar directamente agujeros negros tan masivos.

"La estadística completa de cuantos agujeros negros hay y de que masas es algo que solamente está calculado con hipótesis astrofísicas, y es posible que algunas de las cuales tengan que ser revisadas cuando se vayan acumulando datos reales", Carlos Barceló, Instituto Astrofísico de Andalucía

Explicaciones alternativas

Los más de 2.000 científicos de 19 países distintos que colaboran en la investigación de este fenómeno han analizado la señal y reconstruido a través de potentes ordenadores algunos de los fenómenos que podrían explicar el origen de tan misterioso evento. En dos estudios, publicados en las revistas especializadas Physical Review Letters y Astrophysical Journal Letters, apuntan a una fusión como posible explicación.

“Podrían ser el resultado de la fusión de agujeros negros más pequeños o de la colisión de (múltiples) estrellas masivas, o incluso de procesos más exóticos”, añade Michela Mapelli de la Universidad de Padua (Italia) y el Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), además de pertenecer a la Colaboración Virgo, informa la Agencia Sinc.

“Sin embargo, es también posible que tengamos que revisar nuestra comprensión actual de las etapas finales de la vida de una estrella y las restricciones sobre la masa final en los procesos de formación de agujeros negros”, prosigue Mapelli.

Otra de las posibles explicaciones sería que estos fenómenos hayan estado provocados por cúmulos globulares, unas enormes esferas formadas por miles de estrellas, muchas de las cuales, al morir, forman miles de agujeros negros lo suficientemente próximos como para fundirse entre ellos.

Tito Dal Canton, investigador del Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) en el Irène Joliot-Curie Lab, en Orsay (Francia), y miembro de Virgo, explica que los agujeros negros iniciales rotaban rápidamente.

“La señal muestra indicios de precesión, una rotación del plano orbital producido por rotaciones de gran magnitud y orientación particular”, indica Dal Canton. “El efecto es débil y no podemos afirmar que esté presente de manera categórica, pero, si fuera cierto, apoyaría la hipótesis de que los agujeros negros progenitores surgen y viven en entornos cósmicos muy inestables y concurridos, como un cúmulo estelar denso o un disco de acreción de un núcleo galáctico activo”, pronostica.

“Ha sido muy complejo interpretar la señal al estar en el límite de nuestra capacidad técnica. Solo tendremos una idea clara de cómo se formó el sistema que la generó tras investigaciones adicionales, con lo que habría que cotejarlo con detecciones futuras”, explica Thomas Dent, coordinador del programa de ondas gravitacionales en el IGFAE, según informa la Agencia Sinc.

Probablemente será necesaria la detección de futuras ondas gravitacionales que expliquen la existencia de estos fenómenos supermasivos, pero la mera detección de semejante descubrimiento marca un punto y aparte en el libro de la astrofísica, cuyos nuevos capítulos desgranarán postulados desconocidos para la ciencia que bien merecerán sucesivos premios Nobel en un futuro cercano.

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