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La mayor fuente de ondas gravitacionales nunca vista muestra la formacin de un nuevo tipo de agujero negro

La mayor fuente de ondas gravitacionales nunca vista muestra la formacin de un nuevo tipo de agujero negro



Hallazgo con participacin espaola

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Los observatorios LIGO-Virgo muestran una colisin gigante entre dos agujeros negros para formar uno nuevo, con una masa intermedia entre las dos clases conocidas hasta ahora

Recreaci

Recreacin de la fusin 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 lser de la red global LIGO-Virgo, dos en los Estados Unidos y uno en Italia, recogieron una seal extraterrestre. Se trataba de una onda gravitacional creada por un cataclismo csmico: dos agujeros negros con unas masas de unas 85 y 66 veces las del Sol, respectivamente, girando en una espiral continua cada vez ms cerca el uno del otro.

Los dos gigantes se acercaron tanto que acabaron por desgarrarse y fusionarse, lo que provoc una distorsin que viaj por el universo, desde la lejana galaxia en la que se produjo hasta la Tierra. Una ondulacin en el espacio-tiempo como la que producira el lanzamiento de una piedra sobre la superficie de un estanque.

La seal resultante, bautizada como GW190521, es extremadamente breve y difcil de detectar, menos de una dcima de segundo. Como casi todas las seales de ondas gravitacionales confirmadas hasta ahora, es el producto de la fusin de un sistema binario (en este caso, dos agujeros negros; en otros, dos estrellas de neutrones). Su fusin cre un agujero negro an ms masivo -de unas 142 masas solares- y liber una cantidad de energa equivalente a la de ocho veces nuestro Sol.

«La fusin ocurri hace unos 7.000 millones de aos, es decir cuando el universo tenia ms o menos la mitad de aos que tiene ahora. Por supuesto, el Sistema Solar aun no se haba formado», detalla Jos Antonio Font desde la Universidad de Valencia.

«No se corresponde a las pequeas seales que hemos detectado en otras ocasiones», seala Nelson Christensen, del Centro Nacional de Investigacin Cientfica de Francia (CNRS). «Esto se parece ms a un gran estallido, es la seal ms masiva que LIGO o Virgo hayan visto«. El equipo internacional detalla el hallazgo en dos artculos publicados este mircoles 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 deteccin abre la puerta a descubrir muchos efectos astrofsicos nuevos«, comenta Thomas Dent, coordinador del Programa de ondas gravitacionales en el Instituto Galego de Fsica de Altas Enerxas (IGFAE) y miembro de la colaboracin cientfica LIGO. «Ha sido complejo interpretar la seal que estaba al lmite de nuestra capacidad tcnica: tendremos una idea ms clara de cmo se form el sistema que la gener con investigaciones adicionales y detecciones futuras.»

Resultados inesperados

Las masas excepcionalmente grandes de los dos agujeros negros, as como la de la fusin resultante, plantean una serie de dudas sobre su origen. Los fenmenos de este tipo observados hasta ahora encajan en dos categoras: 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 observacin de un agujero negro de masa intermedia -entre 100 y 1.000 masas solares-, un rango de masas que ha representado durante muchos aos una especie de «desierto de agujeros negros».

Segn la fsica de la evolucin estelar, la presin exterior de los fotones y el gas del ncleo que actan contra la fuerza de la gravedad mantienen la estabilidad de las estrellas. Pero despus de que el ncleo de una estrella masiva se fusione y los tomos se vuelvan ms pesados, ya no se produce suficiente presin para soportar las capas externas. En ese momento, la estrella se derrumba por su propio peso, en una explosin llamada supernova de colapso del ncleo, que puede dejar atrs un agujero negro. Este proceso explica cmo se producen agujeros negros de hasta 65 masas solares.

Pero para estrellas ms pesadas, se cree que se produce un fenmeno conocido como «inestabilidad de pares»: cuando los fotones del ncleo se vuelven extremadamente energticos, pueden transformarse en parejas de electrones y antielectrones. Esas parejas generan menos presin que los fotones, causando que la estrella se vuelva inestable y acabe desembocando en una explosin 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 astrofsicos, que tratarn de averiguar cmo pudo aparecer en estas circunstancias», afirma Christensen, que tambin es director del Laboratorio Artemis en el Observatorio de Niza en Francia.

«Varios escenarios posibles explican la formacin de agujeros negros en esta franja de distribucin de masas a causa de la inestabilidad de pares», explica Michela Mapelli, de la Universidad de Padua. «Podran ser el resultado de la fusin de agujeros negros ms pequeos, la colisin de (mltiples) estrellas masivas, o incluso de procesos ms exticos. Pero tambin es posible que tengamos que revisar nuestra comprensin de las etapas finales de la vida de una estrella y las restricciones sobre la masa final en los procesos de formacin de agujeros negros».

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