La mayor fuente de ondas gravitacionales nunca vista muestra la formación de un nuevo tipo de agujero negro
Los observatorios LIGO-Virgo muestran una colisión gigante entre dos agujeros negros para formar uno nuevo, con una masa intermedia entre las dos clases conocidas hasta ahora.
Recreación de la fusión de dos agujeros negros. N. Fischer, H. Pfeiffer, A. Buonanno (Max Planck Institute for Gravitational Physics), Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) Collaboration
El 21 de mayo de 2019, tres detectores láser de la red global LIGO-Virgo, dos en los Estados Unidos y uno en Italia, recogieron una señal extraterrestre. Se trataba de una onda gravitacional creada por un cataclismo cósmico: dos agujeros negros con unas masas de unas 85 y 66 veces las del Sol, respectivamente, girando en una espiral continua cada vez más cerca el uno del otro.
Los dos gigantes se acercaron tanto que acabaron por desgarrarse y fusionarse, lo que provocó una distorsión que viajó por el universo, desde la lejana galaxia en la que se produjo hasta la Tierra. Una ondulación en el espacio-tiempo como la que produciría el lanzamiento de una piedra sobre la superficie de un estanque.
La señal resultante, bautizada como GW190521, es extremadamente breve y difícil de detectar, menos de una décima de segundo. Se estima que su origen se encuentra a unos 17.000 millones de años luz de nuestro planeta y que, como casi todas las señales de ondas gravitacionales confirmadas hasta ahora, es el producto de la fusión de un sistema binario (en este caso, dos agujeros negros; en otros, dos estrellas de neutrones). Su fusión creó un agujero negro aún más masivo -de unas 142 masas solares- y liberó una cantidad de energía equivalente a la de ocho veces nuestro Sol.
“No se corresponde a las pequeñas señales que hemos detectado en otras ocasiones”, señala Nelson Christensen, del Centro Nacional de Investigación Científica de Francia (CNRS). “Esto se parece más a un gran estallido, es la señal más masiva que LIGO o Virgo hayan visto“. El equipo internacional detalla el hallazgo en dos artículos publicados este miércoles en Physical Review Letters y The Astrophysical Journal Letters. Sus autores creen que GW190521 fue probablemente generada por un agujero negro con propiedades inusuales.
“Esta detección abre la puerta a descubrir muchos efectos astrofísicos nuevos“, comenta Thomas Dent, coordinador del Programa de ondas gravitacionales en el Instituto Galego de Física de Altas Enerxías (IGFAE) y miembro de la colaboración científica LIGO. “Ha sido complejo interpretar la señal que estaba al límite de nuestra capacidad técnica: tendremos una idea más clara de cómo se formó el sistema que la generó con investigaciones adicionales y detecciones futuras.”
RESULTADOS INESPERADOS
Las masas excepcionalmente grandes de los dos agujeros negros, así como la de la fusión resultante, plantean una serie de dudas sobre su origen. Los fenómenos de este tipo observados hasta ahora encajan en dos categorías: agujeros negros de masa estelar (con una masa de hasta una decena de veces la del Sol) o agujeros negros supermasivos (a partir de cientos de miles de soles). GW190521 es la primera observación de un agujero negro de masa intermedia -entre 100 y 1.000 masas solares-, un rango de masas que ha representado durante muchos años una especie de “desierto de agujeros negros”.
Según la física de la evolución estelar, la presión exterior de los fotones y el gas del núcleo que actúan contra la fuerza de la gravedad mantienen la estabilidad de las estrellas. Pero después de que el núcleo de una estrella masiva se fusione y los átomos se vuelvan más pesados, ya no se produce suficiente presión para soportar las capas externas. En ese momento, la estrella se derrumba por su propio peso, en una explosión llamada supernova de colapso del núcleo, que puede dejar atrás un agujero negro. Este proceso explica cómo se producen agujeros negros de hasta 65 masas solares.
Pero para estrellas más pesadas, se cree que se produce un fenómeno conocido como “inestabilidad de pares”: cuando los fotones del núcleo se vuelven extremadamente energéticos, pueden transformarse en parejas de electrones y antielectrones. Esas parejas generan menos presión que los fotones, causando que la estrella se vuelva inestable y acabe desembocando en una explosión suficientemente fuerte como para no dejar nada. “El hecho de que estemos viendo un agujero negro en este rango de masa va a desconcertar a muchos astrofísicos, que tratarán de averiguar cómo pudo aparecer en estas circunstancias”, afirma Christensen, que también es director del Laboratorio Artemis en el Observatorio de Niza en Francia.
“Varios escenarios posibles explican la formación de agujeros negros en esta franja de distribución de masas a causa de la inestabilidad de pares”, explica Michela Mapelli, de la Universidad de Padua. “Podrían ser el resultado de la fusión de agujeros negros más pequeños, la colisión de (múltiples) estrellas masivas, o incluso de procesos más exóticos. Pero también es posible que tengamos que revisar nuestra comprensión de las etapas finales de la vida de una estrella y las restricciones sobre la masa final en los procesos de formación de agujeros negros”.
