Imagen artística de dos agujeros negros colisionando.Crédito: Carol & Mike Werner/Visuals Unlimited, INC./Science Photo Library
Los astrónomos han detectado la colisión de agujeros negros más potente, más lejana y más desconcertante hasta ahora mediante ondas gravitacionales. De los dos colosos que se fusionaron cuando el Universo tenía la mitad de su edad actual, al menos uno -que pesa 85 veces más que el Sol- tiene una masa que se creía demasiado grande para participar en un evento de este tipo. Y la fusión produjo un agujero negro de casi 150 masas solares, según los investigadores, lo que lo sitúa en un rango en el que nunca antes se habían visto agujeros negros de forma concluyente.
«Todo lo relacionado con este descubrimiento es alucinante», afirma Simon Portegies Zwart, astrofísico computacional de la Universidad de Leiden (Países Bajos). En particular, dice, confirma la existencia de agujeros negros de «masa intermedia»: objetos mucho más masivos que una estrella típica, pero no tan grandes como los agujeros negros supermasivos que habitan en el centro de las galaxias.
Ilya Mandel, astrofísica teórica de la Universidad de Monash en Melbourne, Australia, califica el hallazgo de «maravillosamente inesperado».
El evento, descrito en dos artículos publicados el 2 de septiembre1,2, fue detectado el 21 de mayo de 2019, por los detectores gemelos del Observatorio de Ondas Gravitacionales del Interferómetro Láser (LIGO) en Estados Unidos y por el observatorio más pequeño Virgo, cerca de Pisa, Italia. Se denomina GW190521 por su fecha de detección.
Masas prohibidas
Desde 2015, LIGO y Virgo han proporcionado nuevos conocimientos sobre el cosmos al detectar ondas gravitacionales. Estas ondulaciones en el tejido del espacio-tiempo pueden revelar sucesos como las fusiones de agujeros negros que normalmente no serían visibles con los telescopios ordinarios.
A partir de las propiedades de las ondas gravitacionales, como la forma en que cambian de tono, los astrofísicos pueden estimar los tamaños y otras características de los objetos que las produjeron mientras entraban en espiral. Esto ha revolucionado el estudio de los agujeros negros, proporcionando pruebas directas de docenas de estos objetos, cuya masa oscila entre unas pocas y unas 50 veces la masa del Sol.
Estas masas son consistentes con los agujeros negros que se formaron de una manera «convencional»: cuando una estrella muy grande se queda sin combustible para quemar y colapsa por su propio peso. Pero la teoría convencional dice que el colapso estelar no debería producir agujeros negros de entre 65 y 120 masas solares. Esto se debe a que, hacia el final de sus vidas, las estrellas de un determinado rango de tamaños se calientan tanto en sus centros que empiezan a convertir los fotones en pares de partículas y antipartículas, un fenómeno llamado inestabilidad de pares. Esto desencadena la fusión explosiva de los núcleos de oxígeno, que destroza la estrella, desintegrándola por completo.
En su último descubrimiento, los detectores LIGO y Virgo detectaron sólo las cuatro últimas ondulaciones producidas por los agujeros negros en espiral, con una frecuencia que aumentó de 30 a 80 hercios en una décima de segundo. Mientras que los agujeros negros relativamente pequeños siguen «chirriando» hasta frecuencias más altas, los muy grandes se fusionan antes, y apenas entran en el extremo inferior del rango de frecuencias al que son sensibles los detectores.
En este caso, se estimó que los dos objetos pesaban unas 85 y 66 masas solares. «Esto se encuentra perfectamente en el rango que uno esperaría que tuviera la brecha de masa de inestabilidad de pares», dice el astrofísico de LIGO Christopher Berry, de la Universidad Northwestern en Evanston, Illinois.
Selma de Mink, astrofísica de la Universidad de Harvard en Cambridge, Massachusetts, sitúa el límite de inestabilidad de pares aún más bajo, quizás en 45 masas solares, lo que empujaría al más ligero de los dos objetos firmemente a la zona prohibida, también. «Para mí, ambos agujeros negros son incómodamente masivos», afirma.
Agujeros negros no convencionales
Para explicar sus observaciones, los investigadores de LIGO consideraron una serie de posibilidades, entre ellas que los agujeros negros hubieran existido desde el principio de los tiempos. Durante décadas, los investigadores han conjeturado que tales agujeros negros «primordiales» podrían haberse formado espontáneamente en una amplia gama de tamaños poco después del Big Bang.
La principal hipótesis que contempló el equipo es que los agujeros negros se hicieran tan grandes porque ellos mismos eran el resultado de fusiones de agujeros negros anteriores. Los agujeros negros resultantes del colapso estelar deberían abundar en cúmulos estelares densos y, en principio, podrían sufrir repetidas fusiones. Pero incluso este escenario es problemático porque, tras una primera fusión, el agujero negro resultante debería recibir una patada de las ondas gravitacionales y expulsarse del cúmulo. Sólo en raras ocasiones el agujero negro permanecería en una zona en la que podría sufrir otra fusión.
Las fusiones sucesivas serían más probables si los agujeros negros habitasen en la abarrotada región central de su galaxia, dice de Mink, donde la gravedad es lo suficientemente fuerte como para evitar que los objetos que retroceden salgan disparados.
No se sabe en qué galaxia se produjo la fusión. Sin embargo, más o menos en la misma región del cielo, un equipo de investigadores observó un cuásar -un centro galáctico extremadamente brillante impulsado por un agujero negro supermasivo- que sufrió una llamarada alrededor de un mes después de GW1905213. La llamarada podría haber sido una onda de choque en el gas caliente del cuásar producida por el agujero negro en retroceso, aunque muchos astrónomos se muestran cautelosos a la hora de aceptar que ambos fenómenos estén relacionados.
Esta es la segunda vez este año que la colaboración LIGO-Virgo se adentra en un rango de masas «prohibidas»: en junio, describieron una fusión en la que estaba involucrado un objeto de unas 2,6 masas solares, normalmente consideradas demasiado ligeras para ser un agujero negro, pero demasiado masivas para ser una estrella de neutrones4.