“No debiesen existir”: Astrónomos descubren el choque de agujeros negros más grande hasta ahora

El 21 de mayo de 2019 y en una señal que duró sólo una décima de segundo, los interferómetros LIGO en EE.UU. y Virgo en Italia detectaron la fuente de ondas gravitacionales más grande conocida hasta la fecha, evento que de acuerdo a expertos, surgió debido a la fusión de dos agujeros negros.

El evento, que demoró 7 mil millones de años luz en revelarse a la ciencia, fue observado directamente por primera vez gracias a las mencionadas ondas gravitacionales, un hallazgo clave para la comprensión del universo, y fue descrito en las revistas científicas Physical Review Letters y el Astrophysical Journal Letters por un equipo internacional de más de 1.500 científicos.

El misterioso objeto, llamado “GW190521”, tiene una masa 142 veces superior a la del Sol y se produjo por el choque de un agujero negro de 85 veces la masa del Sol con otro de 65 veces la masa del Sol. Éstos chocaron, se fusionaron y formaron el nuevo agujero negro, que además expulsó una energía equivalente a ocho veces la masa del Sol, expandiéndose por todo el universo.

Además, se trata del agujero negro más masivo jamás detectado por las ondas gravitacionales, en comparación con los agujeros supermasivos, miles de millones de veces mayores, que son detectados de otra forma.

Anunciadas por Albert Einstein en 1915 en su teoría de la relatividad general y observadas directamente un siglo más tarde, las ondas gravitacionales son deformaciones ínfimas del espacio-tiempo, parecidas a las ondulaciones del agua en la superficie de un estanque. Nacen bajo el efecto de fenómenos cósmicos violentos, como la fusión de dos agujeros negros, que emiten una cantidad de energía.

Ezequiel Treister, astrónomo y académico del Instituto de Astrofísica de la Pontificia Universidad Católica, es experto en agujeros negros supermasivos. Aunque para él, el evento revelado hoy es “pequeño”, aún así es muy importante, y no esconde su entusiasmo por las posibles implicancias para la astrofísica.

“Desde 2016, la detección de ondas gravitacionales se está volviendo ‘rutinaria’. Ya se han confirmado unos 30 eventos, además de otros candidatos por confirmar. Lo relevante, es que la mayoría de estos eventos proviene de la fusión de dos agujeros negros relativamente grandes, con 20 o 30 veces la masa del Sol, pero que para escalas astronómicas son aún pequeños”, dice.

“Sin embargo, hay una categoría mayor -los agujeros negros de masa intermedia- que tienen más de 100 veces la masa del Sol, y de los que se conoce muy poco, debido a que no sabemos cómo se pueden formar”, agrega Treister.

Para el astrónomo, “esto es espectacular por muchas razones. Lo primero la confirmación sobre la formación de agujeros negros de masa intermedia, que no sabíamos si existían o no. Sólo por eso, ya es un descubrimiento muy relevante, pero se pone mejor debido a que los progenitores de estos dos agujeros negros, técnicamente no deberían existir”.

¿Por qué? para entenderlo, el experto explica que esos agujeros negros, cuando son pequeños, se forman a través de la muerte de una estrella que da paso a una supernova, luego una gran emisión de energía, y posteriormente un núcleo que se compacta por efecto de la gravedad hasta dar origen a un agujero negro. Eso, hasta 40-60 veces la masa del Sol, aunque el límite aún no está muy claro.

“El problema, es que aquí tenemos la unión de dos agujeros (85 y 65 veces la masa del Sol), pero no se sabe cómo se formaron”, señala Treister.

-¿Todas las estrellas que explotan en supernovas se convierten en agujeros negros?

Depende de la masa, hay un rango en el que no ocurre. Si la estrella tiene más de cuatro o cinco veces la masa del Sol, sí. Pero el Sol no se va a transformar en un agujero negro, debido a que es muy pequeño. El límite menor es de tres, cuatro o cinco veces esa masa, no está muy claro.

-¿Por qué estos agujeros negros más pequeños, “no debiesen existir”?

En parte sí, pero hay una explicación “alternativa”: que sus “progenitores” se hayan formado de la colisión de otros agujeros más pequeños, por ejemplo, dos agujeros de 30 veces la masa del Sol, se fusionaron y formaron uno de 60; y otros dos de 40, que formaron uno de 80. Esto en teoría nos daría un agujero de 140, si es que éstos llegasen a chocar.

Ese escenario es posible, pero sería muy raro. Para que ello ocurra, tendríamos que tener tres fusiones de agujeros negros. Sería muy extraño. Incluso, si estos choques son “comunes”, esto puede continuar. Si se generó un agujero de 140 veces la masa del Sol, de la misma forma podría fusionarse con otro agujero de 100 o 200 veces la masa del Sol, y así sucesivamente.

-Pero estos agujeros negros, ¿pueden atraerse?

Se atraen gravitacionalmente, pero al contrario de la imagen de la ciencia ficción, la atracción no es tan fuerte. Atraen lo que tienen que atraer, pero de acuerdo a su masa. No son una aspiradora.

Y sus masas, si bien son grandes, en el contexto enorme de una galaxia, no son muy importantes. Es más, si este escenario es correcto, implica que hay agujeros en todos lados. Muchos dando vueltas, porque sino, no podrían haber ocurrido cosas como éstas.

-¿Qué ocurre cuando se unen estos agujeros?

Es muy interesante. Normalmente los dos agujeros negros están en órbita uno con respecto al otro y giran con respecto a su centro de masa, “bailando” uno al lado del otro, y esa órbita comienza a perder energía hasta que se acercan mucho y se fusionan. En este caso se cree que fue más directo, como si hubiesen chocado “de cabeza”. El baile o evento, pudo ser más corto.

-¿Y este “baile”, cuánto dura?

Puede tomar mucho tiempo, dependiendo de la órbita, pero hablamos de millones de años. Aún así, sólo detectamos la última parte, cuando ambos finalmente chocan, se fusionan, y se emite el evento de ondas gravitacionales. La onda gravitacional duró 0,1 segundo, es el evento más corto que se ha medido.

-Suena muy poco probable que en la inmensidad del universo se encuentren tantas veces

Por supuesto. Tuvimos que tener una gran cadena lógica para llegar a esto, y las consecuencias son espectaculares, significa que nuestro universo está lleno de agujeros negros. Y de hecho, no tenemos idea cuántos agujeros hay dando vueltas por ahí.

Está bien, es un sólo descubrimiento y hay que ser cauteloso, pero las posibles implicancias son enormes. Finalmente, siempre llegamos a la misma conclusión: aún sabemos muy poco de los agujeros negros.

***

Este descubrimiento y otros relacionados serán parte de la charla “Sinfonía del Universo: ondas gravitacionales”, que ofrecerá la astrónoma del Instituto de Astrofísica de la Pontificia Universidad Católica, Macarena Lagos, el próximo viernes 4 de septiembre a través del canal de YouTube del Proyecto Anillo Agujeros Negros Supermasivos.

Se trata del capítulo 24 de este ciclo de conferencias online, ideado especialmente para continuar con la divulgación de la astronomía en el contexto de distanciamiento social generado por la pandemia global de Covid-19. Como en una charla presencial, los asistentes a las charlas pueden interactuar y hacer preguntas a través del chat, a las astrónomas y astrónomos de la Pontificia Universidad Católica, Universidad de Valparaíso y Universidad de Concepción.

Doctorada en física por el Imperial College de Londres, Macarena Lagos es experta en energía oscura, materia oscura, modelos cosmológicos, ondas gravitacionales y agujeros negros, entre otros temas. Actualmente es investigadora postdoctoral en la Universidad de Chicago, desempeñando su labor el Instituto Kavli para Física Cosmológica (KICP). Además de la Universidad Católica, se ha desempeñado en la Universidad de Oxford y trabajado como asesora en proyectos de la Nasa.

Los episodios anteriores de las charlas astronómicas se encuentran disponibles en el mismo canal, incluyendo exposiciones sobre agujeros negros y colisiones de galaxias, entre otros.

Más información y enlaces a las charlas se publican también en la cuenta de Twitter del Proyecto, @AnilloBlackHole.