La fusión de un agujero negro con un objeto no identificado desconcierta a los astrónomos

A unos 800 millones de años luz, un agujero negro ha devorado un objeto no identificado y la fusión resultante ha liberado energía suficiente para arrugar el tejido del espacio-tiempo. Estas arrugas, denominadas ondas gravitacionales, viajaron por el universo y finalmente pasaron por la Tierra el 14 de agosto de 2019. En nuestro planeta, tres detectores lo bastante sensibles para medir perturbaciones tan minúsculas registraron la fusión y, cuando se descodificó la información inscrita en las ondas gravitacionales, surgió un enigma.

La colisión, denominada GW190814, destaca entre las decenas de fusiones cósmicas detectadas por el Observatorio de Ondas Gravitacionales con Interferómetro Láser (LIGO, por sus siglas en inglés), una colaboración en la que participan cientos de científicos, y su homólogo italiano Virgo. Durante millones o quizá miles de millones de años, los dos objetos se orbitaron mutuamente, acercándose cada vez más hasta colisionar. Los astrónomos determinaron que uno de esos objetos era un agujero negro con una masa equivalente a 23 soles. El otro, engullido por completo, tenía aproximadamente 2,6 masas solares y es un objeto misterioso cuya identificación es compleja.

«No hemos observado nada igual hasta ahora», afirma Vicky Kalogera de la Universidad Northwestern, que coordinó el informe sobre la fusión, publicado ayer en Astrophysical Journal Letters.

El objeto misterioso está en el punto de inflexión entre tener una superficie, como una estrella, y convertirse en un hoyo sin fondo de espacio-tiempo, es decir, un agujero negro. Su masa lo sitúa en una zona confusa entre las estrellas de neutrones más pesadas —cadáveres estelares que dejan las estrellas cuando explotan en supernovas— y los agujeros negros más ligeros, que se forman cuando los restos de una estrella son lo bastante compactos para colapsar en un punto de densidad infinita.

Los científicos están tratando de desentrañar dónde acaba una estrella de neutrones y empieza un agujero negro, ya que dicha frontera podría revelar cómo se comporta la materia en las condiciones más extremas del universo. Y como estos objetos exóticos son los puntos finales de la evolución estelar, en algún momento, cuando todas las estrellas se extingan, serán lo único que quede en el universo. Eso hace que la identidad del objeto misterioso observado en GW190814 resulte muy interesante.

«Si es una estrella de neutrones, es una masa fascinante para una estrella de neutrones. Si es un agujero negro, es una masa fascinante para un agujero negro», señala Kalogera. «Sea como fuere, nos llamó la atención en cuanto lo vimos».

Escuchando la gravedad

Las ondas gravitacionales, que viajan a la velocidad de la luz, pasan sobre cualquier cosa que se encuentre en su trayectoria. Pero deforman el espacio-tiempo de forma tan mínima que detectarlas es muy complicado. Los detectores LIGO de Washington y Luisiana y el detector Virgo de Italia emiten haces láser para medir cuánto tarda la luz en viajar. Cualquier pequeño cambio en el tiempo normal del viaje sería el resultado de la contracción y la expansión del espacio-tiempo.

La iniciativa de detección logró su primera observación en 2015, un hito con el que le concedieron el premio Nobel de Física. Desde entonces, la mayoría de las detecciones han apuntado a colisiones entre parejas de agujeros negros. Los astrónomos también han detectado ondas espacio-temporales generadas por la colisión de estrellas de neutrones. Con todo, a diferencia de las fusiones previas, ha sido difícil identificar la naturaleza real de los objetos implicados en GW190814.

Aunque está claro que el objeto más pesado es un agujero negro, el objeto menos masivo es uno de los pocos cuerpos celestes conocidos que está en la denominada «brecha de masa» entre estrellas de neutrones y agujeros negros. En algún punto de esa brecha, la materia se vuelve inestable y colapsa en un agujero negro y las estrellas de neutrones existen justo en el umbral de ese límite.

«La naturaleza impone un límite a la densidad de la materia estable», explica Zaven Arzoumanian, del Centro de vuelo espacial Goddard de la NASA. «Pero no sabemos qué es o qué le ocurre a la materia justo a este lado», afirma Arzoumanian, jefe científico de NICER, un experimento que estudia las estrellas de neutrones desde la Estación Espacial Internacional.

Las observaciones apuntan a que las estrellas de neutrones culminan en torno a 2,1 masas solares y la mayoría se sitúan en torno a 1,4, señala Feryal Özel de la Universidad de Arizona, que estudia las fronteras entre estos objetos. Algunas observaciones apuntan a estrellas de neutrones más pesadas —de casi 2,5 masas solares—, pero los datos aún no son tan sólidos. Y a las teorías que describen la física interna de las estrellas de neutrones les cuesta mucho establecer qué impediría que la estrella colapsara al crecer.

Al otro lado de la brecha de masa, los agujeros negros más ligeros que se han observado son de unas 5 masas solares. Hasta hace poco, casi nada poblaba el término medio. LIGO ha detectado otro objeto que es el producto de la colisión de dos estrellas de neutrones y pesaba casi 2,7 masas solares.

Por ahora, no está claro si el agujero negro de esta última fusión canibalizó al otro agujero negro o si devoró una estrella de neutrones.

«Si resulta que es una estrella de neutrones —si una estrella de neutrones puede tener 2,6 masas solares— cambiará los antiguos paradigmas», afirma Özel.

Kalogera y ella sospechan que el objeto misterioso es un agujero negro ligero. «No tenemos un motivo físico para explicar que un agujero negro no pueda tener 2,6 masas solares», afirma Özel. Pero ambas indican que determinarlo con seguridad será difícil. El sistema está demasiado lejos para estudiarlo con otros observatorios. Además, las masas desiguales han ocultado una posible pista: si el agujero negro fuera menos masivo, podría haber sido posible observar cómo deformaba y destrozaba una estrella de neutrones próxima, en lugar de tragársela entera. Esa especie de depredación caótica dejaría un rastro identificable en las ondas gravitacionales.

«No creo que tengamos ninguna oportunidad de identificar este objeto», afirma Özel. «Las señales reveladoras de que podría haber sido una estrella de neutrones no están ahí, pero su ausencia tampoco significa nada».

Orígenes desconocidos

Aun sin conocer la identidad de uno de ellos, los objetos implicados en la fusión GW190814 son asombrosos porque son muy desiguales. La mayoría de las colisiones observadas por LIGO y Virgo implican parejas de masa relativamente similar; pero con 23 masas solares, este agujero negro es casi nueve veces más pesado que su pareja.

«Nunca lo habíamos observado hasta ahora», cuenta Özel. «Esto abre la puerta a algunos test gravitacionales que no hemos podido hacer antes y a incógnitas sobre cómo se forman estos sistemas binarios».

La asimetría del sistema dificulta explicar su origen y su entorno. Por ejemplo, en cúmulos globulares —unos conjuntos de estrellas antiguos que orbitan las galaxias—, se espera que las parejas de objetos compactos tengan una masa mucho más igual. Dentro de las propias galaxias, los sistemas que evolucionan de forma aislada podrían producir parejas desiguales, pero no es de esperar que dichos sistemas colisionen con bastante frecuencia como para producir este tipo de observación.

El equipo está considerando hipótesis de formación más exóticas que incluyen varios sistemas que se fusionan, cúmulos de estrellas vagamente unidos y objetos sumidos en discos de material que se arremolinan alrededor de agujeros negros supermasivos.

Pero, como suele ser el caso en un universo de posibilidades infinitas, quedan muchas preguntas sin responder.

«Parte de la fascinación de las estrellas de neutrones es que representan la última estación de paso para la materia en colapso gravitacional», explica Arzoumanian. «¿Cuál es la máxima densidad estable que puede alcanzar la materia antes de implosionar y colapsar dentro de su propio horizonte de sucesos y desaparecer para siempre?».

Este artículo se publicó originalmente en inglés en nationalgeographic.com.