Detectadas nuevas ondas gravitacionales resultantes del choque entre dos agujeros negros masivos
Los agujeros negros que colisionaron hace 3.000 años, más masivos de lo esperado, enviaron ondas gravitacionales que han atravesado la Tierra.
Hace mucho tiempo en un cúmulo estelar muy, muy lejano… dos agujeros negros masivos colisionaron y se convirtieron en uno, desencadenando un torrente de energía que creó el tejido del mismísimo espacio-tiempo.
Y en la actualidad, el instrumental terrestre ha logrado detectar las ondas de ese lejano cataclismo cósmico en lo que supone la tercera detección directa confirmada de ondas gravitacionales. Las detecciones combinadas, todas ellas comunicadas por el observatorio de detección de ondas gravitacionales LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory), nos abren una nueva ventana al cosmos.
Las ondas transportan información crucial sobre sus fuentes remotas, y los resultados presentan desafíos a una serie de ideas preestablecidas sobre el crecimiento de los agujeros negros, los lugares donde se encuentran y cómo acaban atrapados en unas danzas tan violentas y mortales.
«El universo todavía contiene misterios», afirma el astrofísico Daryl Haggard de la Universidad McGill. «Pensábamos que sabíamos cómo ocurrían los agujeros negros y ahora estamos comprobando que todavía nos queda mucho espacio por descubrir».
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La danza de los agujeros negros
LIGO detectó las ondas a partir de la colisión más reciente de agujeros negros el pasado 4 de enero de 2017, unos 3.000 millones de años después de que tuviera lugar. Las ondas gravitacionales atravesaron la Tierra y sacudieron ligeramente series idénticas de láseres y espejos construidas en Hanford, Washington, y en Livingston, Luisiana.
Las ondas encogieron y expandieron el espacio en la Tierra el equivalente a una fracción de la anchura de un protón, una de las partículas que compone el núcleo de un átomo. Eso, obviamente, resulta imposible de percibir por parte de los humanos, pero los detectores de LIGO son tan sensibles que ni siquiera las perturbaciones más diminutas pueden escapar a sus láseres.
Tras un detenido análisis de la señal, el equipo encargado de LIGO determinó que se trataba de la huella de una colisión catastrófica entre dos agujeros negros, uno con una masa equivalente a casi 30 soles y otro con la masa de 19 soles.
Estos agujeros negros habían estado girando el uno en torno al otro durante eones, acercándose poco a poco en lo que se convertiría una espiral cósmica mortal. A medida que se aproximaban, radiaban energía en forma de ondas gravitacionales. Y cuando finalmente colisionaron y se fusionaron, liberaron todavía más energía, en esa misma forma.
El agujero negro único resultante de dicha espiral de furia cósmica conforma una masa de espacio-tiempo curvado y sin fondo equivalente a 50 soles, según informa el equipo de LIGO en la revista Physical Review Letters.
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Más masivos de lo esperado
Las dos primeras detecciones gravitacionales de LIGO, en septiembre de 2015 y diciembre de 2015, también implicaron colisiones entre agujeros negros. En dos de los tres casos, los agujeros negros son increíblemente masivos en comparación con las expectativas de los astrofísicos.
Los resultados combinados revelan a los científicos que mucho de lo que creían saber sobre los agujeros negros estelares no es del todo acertado.
Los agujeros negros estelares son agujeros negros creados por la explosión y la muerte de estrellas con más masa que el Sol. Se podría pensar ingenuamente que cuanto más grande sea la estrella, más grande será el agujero negro. Pero la astrofísica no funciona necesariamente de esa manera.
En su lugar, cuanto más grande sea la estrella, más tempestuosa será, y sus fuertes vientos estelares envían ráfagas de materia al espacio durante el transcurso de la vida de dicha estrella. Cuando la estrella muere, ya ha perdido gran parte de su masa, por lo que finalmente se convierte en un agujero negro relativamente pequeño.
Durante décadas, las teorías y la observación sugerían que los agujeros negros estelares no podían exceder las 10 masas solares, según explica Steinn Sigurdsson, de la Universidad Estatal de Pensilvania. Pero LIGO está revelando múltiples agujeros negros con una masa significativamente superior al límite que se asumía previamente, aunque son considerablemente inferiores a los enormes gigantes que viven en los corazones de las galaxias.
«Antes de nuestros descubrimientos, ni siquiera sabíamos a ciencia cierta que estos agujeros negros existían», nos cuenta Laura Cadonati, del Instituto de Tecnología de Georgia, que forma parte del equipo de LIGO. Ahora, los astrofísicos tendrán que devanarse los sesos para explicar cómo se formaron estos extraños cuerpos.
«Tenemos que averiguar una forma de explicar lo masivos que son», afirma Haggard. «Esto ya supuso un dilema en el primer descubrimiento, debido a los agujeros negros con una masa de 30 soles. No teníamos modelos que lo descartasen totalmente, pero son algo sorprendente. Estos [agujeros negros recién descubiertos] son extremadamente masivos».
Una de las explicaciones para estos agujeros negros sugiere que sus enormes estrellas originarias estaban hechas en un principio de hidrógeno y helio, que resultan en vientos menos tempestuosos y por tanto en una pérdida de masa mucho menor. Cuando estas estrellas murieron, mucha más masa acabó colapsando y formando este agujero negro.
Estrellas como estas eran comunes en los cúmulos globulares, o agrupaciones densas de estrellas extremadamente viejas que orbitan alrededor de las galaxias, incluyendo la nuestra.
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Teorías de origen enfrentadas
Otra línea de pruebas de LIGO apoyaría la idea de que los cúmulos globulares tendrían un papel en la saga de dúos de agujeros negros masivos.
A partir de las señales de ondas gravitacionales, el equipo de LIGO podría deducir varias características de los agujeros negros antes de que se fusionaran, incluyendo la dirección en la que giraban y la orientación de sus ejes de rotación. Basándose en dicha información, Cadonati afirma que parece que la colisión habría tenido lugar dentro de un cúmulo globular.
Una de las teorías acerca del origen de los agujeros negros binarios implica que una pareja de estrellas hermanas masivas orbiten una alrededor de la otra. Cuando dichas estrellas mueren, sus «cadáveres» seguirían en esa danza giratoria, lo que suele dar como resultado una pareja de agujeros negros con giros y orientaciones similares.
Sin embargo, los datos más recientes de LIGO sugieren que los antiguos agujeros negros no tendrían giros totalmente alineados. Sería posible que estos agujeros negros se hubieran formado por separado dentro de un cúmulo globular. A continuación, se habrían desplazado hacia el centro del cúmulo, donde finalmente acabaron en una espiral giratoria.
Llegados a este punto, su destino es un producto de la dinámica y del caos en el núcleo del cúmulo, y no de toda una vida el uno junto al otro. Esta explicación parecería encajar con los datos actuales, pero, según Sigurdsson, no hay razón para decir que solo un escenario es el verdadero.
«Mi inclinación personal es que esto estaría ocurriendo tanto en el campo galáctico como en los cúmulos, y que los cúmulos probablemente estén impulsando a estos cuerpos masivos que observamos a gran distancia», explica Sigurdsson.
«Eso empieza a decirnos algo sobre la población de agujeros negros, de dónde vienen y también va a ocasionar peleas en el taller que he organizado para este verano».
Las respuestas llegarán a través de más detecciones por parte de LIGO —algunas de las cuales se esperan de forma inminente— y a medida que los astrónomos revisan sus teorías para adecuarlas a los nuevos datos de observación.
Los datos de LIGO ya suponen un desafío a una serie de ideas sobre la evolución estelar y los cúmulos de estrellas, e incluso a algunas concepciones de esa misteriosa sustancia conocida como materia oscura, según Haggard. Sin embargo, la teoría de la relatividad general de Einstein se sostiene: los datos de LIGO son coherentes con sus predicciones.
«Las explicaciones astrofísicas que rigen cómo surgen estos [agujeros negros] son un desorden absoluto», explica Haggard. «Pero la física está totalmente ordenada».
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