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4 de Septiembre de 2020
Astronomía

La mayor colisión de agujeros negros observada hasta la fecha

Una nueva detección de ondas gravitacionales revela la existencia de agujeros negros con masas consideradas «prohibidas» por los modelos al uso.

Recreación artística de una colisión de agujeros negros. [Mark Myers/ARC Centre of Excellence for Gravitational Wave Discovery (OzGrav)]

Los astrónomos han detectado la colisión de agujeros negros más lejana, potente y desconcertante observada hasta ahora. El suceso en cuestión habría ocurrido cuando el universo tenía la mitad de su edad actual, y al menos uno de los dos colosos, cuya masa se ha estimado en 85 masas solares, tenía una masa mayor de la que hasta ahora se creía posible para un fenómeno de ese tipo. Además, la fusión de ambos astros dio lugar un agujero negro de casi 150 masas solares, lo que lo sitúa en un intervalo de masas para el que nunca antes se habían detectado agujeros negros de forma concluyente.

«Todo lo relacionado con este descubrimiento es sobrecogedor», señala Simon Portegies Zwart, astrofísico computacional de la Universidad de Leiden. El investigador enfatiza que, entre otras cosas, el hallazgo confirma la existencia de los llamados «agujeros negros de masa intermedia»: astros considerablemente más masivos que una estrella típica pero menores que los agujeros negros supermasivos que ocupan el centro de las galaxias. Ilya Mandel, astrofísico teórico de la Universidad de Monash, en Melbourne, califica el hallazgo de «maravillosamente inesperado».

El fenómeno, descrito por los científicos en dos artículos publicados el pasado 2 de septiembre, fue detectado el 21 de mayo de 2019 por los dos detectores gemelos del Observatorio de Ondas Gravitatorias por Interferometría Láser (LIGO), en EE.UU., y por el observatorio Virgo, algo menor que los anteriores y emplazado en Italia. La onda gravitacional ha sido bautizada como GW190521, un nombre que refiere a la fecha en que se produjo la detección.

Masas prohibidas

Desde 2015, las colaboraciones LIGO y Virgo han transformado la astronomía gracias a la detección de ondas gravitacionales, ondulaciones del espaciotiempo predichas por la teoría de la relatividad general de Einstein y que son capaces de revelar cataclismos astrofísicos que, como ocurre con las colisiones de agujeros negros, son invisibles para los telescopios ordinarios.

A partir de las propiedades de las ondas detectadas, los investigadores pueden reconstruir las características de los astros que colisionaron, como sus respectivas masas y otras propiedades. En los últimos años, estos trabajos han revolucionado el estudio de los agujeros negros gracias a la detección de decenas de ellos. Pero, hasta ahora, las masas de los objetos observados se habían situado entre unas pocas masas solares y unas 50 veces la masa del Sol.

Tales valores resultan compatibles con lo que cabe esperar a partir del proceso «normal» de formación de un agujero negro, el cual tiene lugar cuando una estrella de gran masa agota su combustible y acaba colapsando sobre sí misma por efecto de su propio peso. Sin embargo, la teoría que describe tales procesos predice que estos no deberían producir agujeros negros con masas comprendidas entre unas 65 y unas 120 masas solares. La razón se debe a que, hacia el final de su vida, las estrellas pertenecientes a cierto intervalo de masas alcanzan temperaturas tan elevadas en su núcleo que comienzan a convertir fotones en pares de partículas y antipartículas, un proceso conocido como «inestabilidad de pares». Eso desencadena una violenta reacción explosiva que acaba dispersando por completo la estrella, la cual se desvanece sin dejar ningún objeto compacto tras de sí.

En esta ocasión, los detectores de LIGO y Virgo solo detectaron cuatro pulsos cuya frecuencia aumentó de 30 a 80 hercios en una décima de segundo. Según los modelos, tales pulsos habrían correspondido al momento en que los dos agujeros negros se precipitaban uno contra otro siguiendo una órbita en espiral. Los agujeros negros de menor masa continúan emitiendo ondas hasta alcanzar frecuencias mayores, pero los más masivos chocan y se fusionan antes, por lo que su señal bordea el límite inferior de frecuencias a las que son sensibles los detectores.

Los análisis posteriores estimaron que los astros que colisionaron tenían unas masas respectivas de en torno a 66 y 85 masas solares. Tales valores «encajan con claridad en el intervalo prohibido por la inestabilidad de pares», explica Christopher Berry, astrofísico de la Universidad Noroccidental de EE.UU. y miembro de LIGO.

De hecho, Selma de Mink, astrofísica de Harvard, pone el límite de masas asociado a la inestabilidad de pares aún más bajo, tal vez en unas 45 masas solares. Ello supondría que también el segundo objeto tendría una masa perteneciente al intervalo de masas consideradas prohibidas. «En mi opinión, ambos agujeros negros tienen una masa incómodamente elevada», enfatiza la experta.

Agujeros negros anómalos

Los investigadores han considerado distintas hipótesis para explicar las observaciones, incluida la posibilidad de que ambos objetos hayan existido desde el principio de los tiempos. Hace décadas que los físicos barajan la existencia de agujeros negros llamados «primordiales», los cuales se habrían formado de manera espontánea momentos después de la gran explosión que dio origen al universo y abarcarían un amplio abanico de masas.

Con todo, el escenario principal contemplado por los científicos es que los agujeros negros que colisionaron eran tan masivos porque ellos mismos eran, a su vez, el resultado de una fusión previa. Los agujeros negros producidos por el colapso de estrellas deberían abundar en los cúmulos estelares densos, por lo que en principio serían propensos a experimentar fusiones repetidas. No obstante, incluso esta posibilidad resulta problemática, ya que, tras una primera fusión, lo más normal sería que el agujero negro resultante se viera impulsado por las ondas gravitacionales producidas y saliese despedido del cúmulo. Solo en muy raras ocasiones permanecería en la zona en la que podría sufrir una segunda colisión.

Al respecto, De Mink señala que tales fusiones repetidas serían más probables para aquellos agujeros negros situados cerca de un centro galáctico, donde la gravedad sí sería lo suficientemente intensa como para retener el astro.

Los investigadores ignoran en qué galaxia concreta se produjo la fusión. Sin embargo, un mes después de la detección de GW1905213, un equipo de investigadores observó una fulguración en un cuásar (un núcleo galáctico activo con un agujero negro supermasivo en su centro) en aproximadamente la misma región del cielo. Dicha fulguración podría haberse debido a la onda de choque causada por el agujero negro resultante cuando salió despedido, aunque la mayoría de los astrónomos se muestran cautelosos a la hora de relacionar ambos eventos.

En lo que va de año, ya es la segunda vez que las colaboraciones LIGO y Virgo detectan agujeros negros con una masa supuestamente «prohibida». El pasado mes de junio, los investigadores describieron la fusión de un astro de unas 2,6 masas solares: demasiado ligero para ser un agujero negro y demasiado masivo para ser una estrella de neutrones.

Davide Castelvecchi/Nature News

Artículo traducido por Investigación y Ciencia con permiso de Nature Research Group.

Referencias: «GW190521: A binary black hole merger with a total mass of 150 M»; R. Abbot et al. en Physical Review Letters, vol. 125, art. 101102, 2 de septiembre de 2020. «Properties and astrophysical implications of the 150 M binary black hole merger GW190521»; R. Abbot et al. en Astrophysical Journal Letters, vol. 900, art. L13, 2 de septiembre de 2020.

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