Los astrónomos detectan la colisión de agujeros negros más grande y extraña jamás descubierta

Hace más de siete mil millones de años, dos inmensos agujeros negros se giraron entre sí hasta que chocaron y se fusionaron, un cataclismo tan intenso que envió ondas a través de la estructura del espacio-tiempo. En las primeras horas de la mañana del 21 de mayo del 2019, la Tierra tembló por las vibraciones emitidas por esta colisión distante, lo que indica a los astrónomos la mayor explosión cósmica que jamás hayan detectado y que desafía las expectativas teóricas.

La señal captada por dos observatorios, LIGO en los Estados Unidos y Virgo en Italia, llegó en forma de ondas gravitacionales: interrupciones en el espacio-tiempo que los eventos cósmicos masivos pueden poner en movimiento. Esta señal, llamada GW190521, provino de una colisión verdaderamente monstruosa. Los investigadores estiman que dos agujeros negros 66 y 85 veces más masivos que nuestro sol formaron espirales entre sí, uniéndose para formar un agujero negro 142 veces más masivo que nuestro sol.

El evento, anunciado hoy en Physical Review Letters, es el más grande jamás detectado a través de ondas gravitacionales. En una fracción de segundo, los agujeros negros fusionados liberaron aproximadamente ocho veces más energía que la contenida dentro de los átomos de nuestro sol, todo en forma de ondas gravitacionales. Esa cantidad de energía es como detonar más de un millón de billones de bombas atómicas cada segundo durante 13,8 billones de años, la edad del universo observable.

El astrónomo de Caltech Matthew Graham, que no forma parte de los equipos de LIGO o Virgo, dice que el evento es "probablemente la explosión más grande que jamás hayamos conocido en el universo".

La fusión de los agujeros negros está causando mucho entusiasmo científico, por varias razones. Primero, el agujero negro que se produjo llena un vacío desconcertante en nuestras observaciones. Hasta ahora, los investigadores habían encontrado agujeros negros decenas de veces más masivos que nuestro sol y agujeros negros supermasivos de millones a miles de millones de veces más masivos que nuestro sol, pero nunca habían confirmado uno entre 100 y 100.000 masas solares. Con aproximadamente 142 masas solares, el agujero negro final de GW190521 es el primero que se encuentra en este rango intermedio.

"Ahora podemos resolver el caso y decir que existen agujeros negros de masa intermedia", dice un miembro del equipo de LIGO. Christopher Berry, físico de la Universidad Northwestern.

Pero para Berry y otros, el agujero negro más emocionante no es el resultante. En cambio, la verdadera sorpresa es el más masivo de los dos agujeros negros iniciales, el que tiene una masa aproximadamente 85 veces mayor que la de nuestro Sol, porque teóricamente los agujeros negros no deberían existir en ese rango.

“Esto es realmente impactante, porque esperábamos que los agujeros negros no existan”, dice.

Un agujero negro inesperado

El agujero negro de 85 masas solares es un misterio debido a cómo los científicos creen que mueren las estrellas masivas.

A pesar de toda su furia nuclear, las estrellas son objetos en equilibrio: la gravedad comprime las estrellas hacia adentro, pero a medida que la luz sale del núcleo, empuja a la estrella hacia afuera. Pero las estrellas masivas a veces pueden arder tanto en sus núcleos que este acto de equilibrio puede quedar fuera de control. Las partículas individuales de luz llamadas fotones recogerán suficiente energía para convertirse en pares de electrones y positrones, los equivalentes de la antimateria de los electrones. Este cambio reduce temporalmente la presión dentro del núcleo del sol, lo que hace que la estrella se comprima y se caliente.

La teoría actual predice que cuando una estrella de este tipo es aproximadamente de 60 a 130 veces más masiva que nuestro sol, la compresión y el calentamiento conducen a una explosión descontrolada llamada supernova de inestabilidad de pares. Tal suceso destruye la estrella por completo, tanto que los escombros expulsados no pueden colapsar en un agujero negro.

Curiosamente, el agujero negro más grande en el par que creó GW190521 está "justo en el rango que esperarías de la inestabilidad del par", dice Berry. En esencia, no se supone que sea posible que una estrella cree un agujero negro así.

"Si encontraras un agujero negro que tuviera entre 52 y 133 masas solares, no podría haber sido sintetizado como un solo cadáver de una sola estrella", explica el astrofísico teórico de la Universidad de Yale Priyamavda Natarajan, un experto en agujeros negros que no participó en el estudio. "La naturaleza nos dice que hay muchas formas de llegar a estas masas de agujeros negros".

¿Fusiones hostiles?

En un artículo complementario publicado en The Astrophysical Journal Letters, el equipo de LIGO-Virgo analiza varios escenarios sobre cómo se podría haber formado la fusión y los extraños agujeros negros involucrados. La idea más prometedora es que al menos uno de los agujeros negros, si no ambos, se formó a partir de la fusión de dos agujeros negros más pequeños y de mayor tamaño.

“Ese es mi escenario favorito”, dice Steinn Sigurdsson, astrofísico de la Universidad Estatal de Pensilvania, que no participó en el descubrimiento.

Ciertos tipos de entornos cósmicos podrían hacer que estas fusiones de dos pasos sean más probables. Una posibilidad que podría aumentar la posibilidad de tal evento es si sucediera dentro de un disco de gas que orbita el agujero negro supermasivo central de una galaxia.

Existe evidencia tentadora de que el GW190521 pudo haber tenido lugar en dicho escenario. En junio, Graham fue coautor de un estudio en Physical Review Letters describiendo un destello de luz en el mismo parche de cielo que GW190521, aproximadamente 34 días después de que las ondas gravitacionales sacudieran la Tierra. El equipo de Graham argumentó que la llamarada podría haberse formado cuando el agujero negro fusionado atravesó el disco de gas que rodeaba un agujero negro supermasivo, calentando el gas lo suficiente como para hacerlo brillar.

Dicho esto, hay una diferencia molesta entre los nuevos estudios y los resultados de los brotes: la distancia. El estudio de Graham señala la llamarada a una galaxia a unos ocho mil millones de años luz de distancia, mientras que los resultados de LIGO-Virgo sitúan la fusión del agujero negro a más de 17 mil millones de años luz de distancia. Graham dice que es posible que sea solo una casualidad que las ubicaciones coincidan. “Si miras suficientes cosas, encontrarás estas cosas muy raras alineadas”, dice.

Natarajan tiene otra idea. En un estudio de ciencia del 2014 del que fue coautora, calculó que en el universo temprano, los pequeños agujeros negros podían aumentar de tamaño con una velocidad extraordinaria rebotando aleatoriamente alrededor de los cúmulos de estrellas ricos en gas. En un próximo estudio que se burla de esta idea, ella descubre que el tipo correcto de cúmulo de estrellas podría dar a luz a un par de agujeros negros, cada uno de 50 a 75 veces la masa de nuestro Sol, que luego podrían fusionarse.

"¡Por eso estoy súper emocionada!" ella dice.

A pesar de todo el trabajo teórico que seguramente provocará GW190521, los científicos dicen que sus misterios se resolverán solo después de que LIGO y Virgo detecten más colisiones como esa. "Con un solo evento, siempre se puede apelar a circunstancias únicas y afortunadas", dice Sigurdsson. "Tan pronto como tienes un puñado de eventos, realmente empiezas a exprimir a muchos modelos".