Utilizamos cookies propias y de terceros para mejorar nuestros servicios y facilitarte el uso de la web mediante el análisis de tus preferencias de navegación. También compartimos la información sobre el tráfico por nuestra web a los medios sociales y de publicidad con los que colaboramos. Si continúas navegando, consideramos que aceptas nuestra Política de cookies .

10 de Noviembre de 2020
Cosmología

Irrumpe el debate sobre cómo se forman los agujeros negros «prohibidos»

Los astrónomos han detectado los primeros agujeros negros de masa intermedia. Ahora intentan averiguar cómo crecen estos objetos a partir de sus homólogos de menor tamaño.

[Samuel Velasco/Quanta Magazine]

Hasta hace poco, los agujeros negros —esas esferas celestes tan densas que ni siquiera la luz puede escapar de su atracción gravitatoria— solo parecían existir en talla pequeña o XXL. Los investigadores habían detectado agujeros negros de masa estelar, hasta unas 50 veces más masivos que el Sol, y los gigantescos colosos de miles de millones de masas solares que ocupan el centro de las galaxias. «Es como ver bebés y adultos, pero no adolescentes", ejemplifica Priyamvada Natarajan, astrofísica de Yale.

Sin embargo, el 21 de mayo de 2019, los primeros casos inequívocos de agujeros negros de masa intermedia aparecieron cuando el Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferometría Láser (LIGO), en EE.UU., y su homólogo Virgo, en Italia, captaron el temblor causado por el choque y posterior fusión de dos de estos astros en el espacio profundo. El análisis de los datos reveló que los objetos que colisionaron tenían, respectivamente, 66 y 85 masas solares.

Después de que el hallazgo se hiciera oficial el pasado mes de septiembre, los expertos han comenzado a debatir. La pregunta es cómo pueden formarse esos agujeros negros de masa intermedia. Una posibilidad es que lo hagan a partir de agujeros negros menores a medida que estos engullen gas y polvo. Sin embargo, también podrían surgir a partir de fusiones sucesivas de agujeros negros de masa estelar. «No está claro si uno de estos dos procesos es relevante, o si lo son ambos», apunta Imre Bartos, físico de la Universidad de Florida. La génesis de los agujeros negros de tamaño intermedio es importante porque de ella dependen otras líneas de investigación en astrofísica.

Lo que es seguro es que los agujeros negros de 66 y 85 masas solares observados por LIGO y Virgo tuvieron que crecer de alguna manera, puesto que no pudieron haberse formado directamente a partir del colapso gravitatorio de una estrella. Cuando una estrella de gran masa se acerca al final de su vida, el hidrógeno de su núcleo se fusiona en elementos cada vez más pesados. Pero, una vez que se llega al hierro, el proceso consume más energía de la que libera, por lo que la fusión se detiene. Incapaz de sostener las pesadas capas externas de la estrella, el núcleo colapsa por efecto de la propia gravedad y se produce una espectacular explosión de supernova. El cataclismo deja tras de sí un remanente ultracompacto y muy masivo: un agujero negro.

Al menos así ocurre con las estrellas de hasta cierto tamaño. No obstante, si el núcleo de una estrella gigante tiene entre 65 y 135 veces la masa del Sol, puede alcanzar la asombrosa temperatura de casi 300 millones de grados, lo que provoca que las partículas de luz se conviertan espontáneamente en pares de electrones y positrones. Al desaparecer la presión que ejercía la radiación, las voluminosas capas externas de la estrella ganan terreno y caen hacia el interior con una ferocidad aún mayor que en el caso de una supernova típica. El núcleo entero detona como una bomba e incinera por completo el astro, sin dejar nada tras de sí.

Por su parte, los núcleos de entre 50 y 65 masas solares experimentan una serie de explosiones parciales hasta que caen por debajo del intervalo en el que se produce la formación de electrones y positrones, tras lo cual se produce el colapso gravitatorio que dará lugar a un agujero negro. Eso significa que, al menos en teoría, los agujeros negros de entre 50 y 135 masas solares no pueden formarse a partir de la muerte de una estrella.

Sin embargo, incluso antes de las observaciones de LIGO y Virgo, muchos astrofísicos ya sospechaban que los agujeros negros en ese intervalo de masas prohibidas tenían que existir. La razón es que, según varias hipótesis, los agujeros negros de masa estelar deberían poder crecer y pasar por una fase intermedia hasta convertirse en los colosos supermasivos que ocupan el centro de las galaxias.

Natarajan, que ha investigado durante largo tiempo los mecanismos de crecimiento de los agujeros negros de masa intermedia, ha expuesto sus últimas ideas en un artículo publicado en línea el pasado 19 de septiembre. La investigadora se inclina por la hipótesis según la cual todo comenzaría con agujeros de masa estelar nacidos en cúmulos estelares nucleares: densas agrupaciones de estrellas situadas en la vecindad del centro de las galaxias. Esos agujeros negros iniciales barrerían el cúmulo e irían engordando a medida que engullen gas y polvo, hasta que finalmente se asentarían en un lugar y dejarían de ganar peso. En función de la cantidad de material que contenga el cúmulo y del tiempo que esté deambulando el agujero negro, podrían llegar a formarse astros de tamaño intermedio con todo un abanico de masas finales, lo que en principio incluiría agujeros negros como los detectados por LIGO y Virgo.

Por su parte, Bartos y otros investigadores trabajan en modelos de fusión jerárquica. En estos, los agujeros negros no crecen mediante la ingesta de gas y polvo, sino engulléndose unos a otros. A favor de esta hipótesis, los expertos llaman la atención sobre un detalle importante en los datos de LIGO y Virgo.

Los agujeros negros pueden tener momento angular. En las unidades adecuadas, dicho momento angular puede tomar valores entre 0 y 1. Cuando dos agujeros negros de tamaño similar se fusionan, lo más probable es que el momento angular del objeto resultante tome un valor cercano a 0,7. El agujero negro surgido tras la fusión observada por LIGO y Virgo, por ejemplo, tenía un momento angular de 0,72. Pero, curiosamente, los agujeros negros que colisionaron también tenían un momento angular muy similar: 0,69 y 0,73. Esa circunstancia sugiere que cada uno de ellos pudo haberse formado a partir de una fusión previa.

[Samuel Velasco/Quanta Magazine]

«Parece que este evento es compatible con la idea de que los agujeros negros experimentan fusiones repetidas», aduce Emanuele Berti, astrofísico de la Universidad Johns Hopkins que estudia las fusiones jerárquicas.

Pero, al mismo tiempo, Berti advierte de que el gas y el polvo que se precipitan en un agujero negro también pueden afectar a su momento angular. En teoría, el material que cae forma un disco de acreción, y la rotación de ese disco puede transferirse al astro. Los detalles del proceso aún se desconocen, pero esa caída de material podría dar lugar a momentos angulares como los observados. «Para ser sinceros, no podemos asegurar que esta fuera una fusión de segunda generación», reconoce Berti.

Hay otro posible detalle que habla en contra de las fusiones múltiples. Cuando dos agujeros negros con masas muy distintas orbitan uno alrededor del otro, añade Berti, emiten ondas gravitacionales del mismo modo en que un aspersor giratorio escupe agua: de manera irregular, en vez de hacerlo simétricamente en todas direcciones. «Entonces, el momento de la fusión es como cortar el agua», explica el investigador. «Las ondas gravitacionales salen despedidas en una dirección y [el agujero negro resultante] en otra.» El agujero negro puede acabar moviéndose a una velocidad de decenas de millones de kilómetros por hora, por lo que abandonará con rapidez cualquier entorno en el que se encuentre. Frenarlo lo suficiente para que se fusione de nuevo sería difícil.

Los agujeros negros formados en cúmulos estelares nucleares, la hipótesis preferida por Natarajan, serían menos propensos a salir disparados por efecto de esas sacudidas gravitatorias. Ello se debe a que tales cúmulos suelen encontrarse en las proximidades de agujeros negros supermasivos, cuya colosal influencia podría frenar los objetos rápidos y permitir que un agujero negro se encuentre con su pareja.

En cualquier caso, una sola fusión no zanjará el debate. «Creo que por ahora hay varios canales de formación posibles», afirma Laura Blecha, astrofísica teórica de la Universidad de Florida. «Esta historia podría cambiar dentro de tan solo seis meses con la llegada de nuevos modelos o de más detecciones por parte de LIGO.»

Aunque en estos momentos el observatorio de ondas gravitacionales está cerrado por la pandemia de COVID-19, las mejoras que se implementarán en los próximos años deberían aumentar la tasa de detección desde una fusión por semana hasta una por hora. «Habrá una explosión de estos eventos», asegura Bartos.

Por ahora, la actual cosecha de datos seguirá dando a los astrónomos mucho sobre lo que pensar. A finales de octubre, un reanálisis de los datos de LIGO y Virgo efectuado por astrónomos ajenos a ambos experimentos argumentó que, en realidad, la fusión observada pudo haber tenido lugar entre agujeros negros de masas muy dispares: 16 y 166 veces la masa del Sol, en lugar de 66 y 85 masas solares. De ser el caso, ambos agujeros negros podrían haber nacido de un colapso estelar, ya que sus masas escaparían al intervalo prohibido. No tendrían por qué haber crecido en absoluto.

Tal posibilidad también reclamaría sus propias explicaciones, ya que el agujero negro de mayor masa tendría que haberse formado a partir de una estrella inusualmente descomunal. Sea como sea, lo que demuestra todo esto es que los investigadores apenas han comenzado a asomarse a todo un mundo que hasta ahora era invisible.

Adam Mann/Quanta Magazine

Artículo traducido por Investigación y Ciencia con permiso de QuantaMagazine.org, una publicación independiente promovida por la Fundación Simons para potenciar la comprensión de la ciencia.

Referencias: «A new channel to form IMBHs throughout cosmic time»; Priyamvada Natarajan en arXiv:2009.09156, 19 de septiembre de 2020. «GW190521 may be an intermediate mass ratio inspiral»; Alexander H. Nitz, Collin D. Capano en arXiv:2010.12558, 23 de octubre de 2020.

Los boletines de Investigación y Ciencia

Elige qué contenidos quieres recibir.