Según la Relatividad General de Albert Einstein, la masa es una propiedad de la materia que «le dice» al el espacio-tiempo cómo curvarse. Cuando esta masa está sometida a cambios de aceleración provoca variaciones en esta curvatura que se propagan por el universo a la velocidad de la luz y que se conocen como ondas gravitacionales. Estas ondas atraviesan la Tierra y provocan aquí minúsculas distorsiones (literalmente «alargan y acortan» el espacio-tiempo) que Einstein pensaba que sería imposible detectar. Pero desde 2015, los observatorios de ondas gravitacionales LIGO y Virgo las han estado captando.

Detectan el choque entre un agujero negro y un misterioso objeto ...
Representación de GW190814, una fusión entre un agujero negro y otro objeto detectada en agosto del año pasado y ocurrida hace cientos de millones de años

Estas investigaciones permiten poner a prueba la Relatividad y acceder a partes del universo que quedan fuera del alcance de la astronomía de ondas electromagnéticas (que se hace a través de rayos X o radiación visible, por ejemplo), especialmente en el universo lejano. Hasta el momento se han observado las ondas gravitacionales procedentes de diez fusiones de parejas de agujeros negros y de una pareja de estrellas de neutrones.

Ahora, los observatorios han logrado captar la fusión de un agujero negro y un misterioso objeto cuya masa le hace ser muy exótico: está en un punto medio entre los agujeros negros más pequeños conocidos y las mayores estrellas de neutrones, por lo que los astrónomos no saben qué es. Durante esta fusión, que ha recibido el nombre de GW190814, se captó el encuentro entre un agujero negro de 22,2 a 24,3 masas solares y otro objeto de 2,5 a 2,67 masas solares, a una distancia de 800 millones de años luz de la Tierra, y que generó un nuevo agujero negro de alrededor de 25 masas solares ( aquí puedes ver una animación de esa fusión). Estas observaciones han sido aceptadas para ser publicadas en « The Astrophysical Journal Letters».

El objeto más extremo de la familia

«Lo más relevante de esta observación es que el objeto menos masivo de la colisión está en un rango de masas donde los datos observacionales, tanto en ondas gravitatorias como con radiación electromagnética, no abundan, por lo que es muy novedoso», ha explicado a ABC José Antonio Font, investigador de la Universidad de Valencia, coautor del estudio y miembro de Virgo, el observatorio europeo de ondas gravitacionales.

Los científicos no saben si el menor objeto de la pareja que se fusionó es un agujero negro o una estrella de neutrones
Los científicos no saben si el menor objeto de la pareja que se fusionó es un agujero negro o una estrella de neutrones

«Por el momento, sin embargo, no sabemos lo que es: puede ser un agujero negro o una estrella de neutrones», ha proseguido. «En cualquiera de los dos casos sería el objeto más extremo de su respectiva familia: la estrella de neutrones más masiva o el agujero negro menos masivo que hemos observado».

Un choque fantasma a 800 millones de años luz

El pasado 14 de agosto, los observatorios LIGO y Virgo detectaron una señal que apenas duró unos 10 segundos y que anunciaba una próxima fusión entre un agujero negro y un objeto más masivo que las mayores estrellas de neutrones y menos masivo que los agujeros negros más pequeños. Estimaron la localización de esta fusión en una amplia región del cielo y enseguida mandaron una alerta para que la comunidad científica lo buscara con telescopios de ondas electromagnéticas. A diferencia de lo que pasó en 2017, fecha en la que se pudo observar el choque entre dos estrellas de neutrones detectada por ondas gravitacionales, no vieron nada.

Tal como han explicado los científicos en un comunicado, puede haber varios motivos: que esta fusión sea muy lejana, seis veces más que la de 2017, hasta alcanzar una distancia de 800 millones de años luz, o que el choque se haya producido entre dos agujeros negros, un evento que no libera radiación. Otra posibilidad es que el objeto menos masivo, de cerca de 2,6 masas solares, fuera una estrella de neutrones, pero que fuera engullida muy rápidamente por el agujero negro, como si hubiera sido víctima de un comecocos.

¿Existe un hueco de masas?

Entonces, ¿qué ocurrió durante esta fusión? Por lo que se ha observado hasta ahora, y de acuerdo con los modelos de formación de estrellas de neutrones, las más masivas «pesan» como 2,5 soles. Por otra parte, se cree que los agujeros negros más pequeños rondan las cinco masas solares. Por eso, se considera que existe un «mass gap», o sea, hueco de masas, en el que no hay ninguno de estos objetos, bien por un fenómeno natural, bien porque no se ha podido observar hasta ahora. Sin embargo, este estudio llevaría a replantear esa idea, a cuestionar lo que se sabe sobre los límites de las estrellas de neutrones y parte de lo que dicen las teorías sobre la evolución de las estrellas.

«Este suceso es interesante porque pone a prueba los modelos de formacion de estrellas de neutrones y nos da la idea de que existen objetos en ese “mass gap”», ha explicado Mario Pérez, investigador del Instituto de Física de Altas Energías (IFAE), en Barcelona. «Sin embargo, van a ser necesarios más sucesos para poder entender esta población y su naturaleza. Llegarán en los próximos años».

En los límites de la materia

Tal como ha explicado José Antonio Font, se cree que la mayoría de las estrellas de neutrones rondan las 1,4 masas solares y los 10 o 12 kilómetros de radio. Esto depende de la materia de la que están hechas y se basa en lo que se conoce como ecuación de estado de la materia densa. «Al no saber con precisión cuál es la ecuación de estado de las estrellas de neutrones, pues las enormes densidades de estos objetos no están accesibles a la experimentación en el laboratorio, no podemos determinar su masa máxima y su radio máximo», ha explicado. Sin embargo, con las observaciones hechas hasta ahora los científicos afirman que la masa máxima de las estrellas de neutrones está entre las dos y las tres masas solares.

En cuanto a los agujeros negros, en teoría pueden tener cualquier masa, según Font, aunque «si analizamos los datos observacionales de los que disponemos, la masa mínima de los agujeros negros observados en nuestra galaxia (en binarias de rayos X) es de unas cinco veces la masa del Sol». No obstante, según ha apuntado Mario Pérez, algunas observaciones sí han sugerido la existencia de agujeros negros de cerca de 3,3 masas solares.

Representación de una estrella de neutrones
Representación de una estrella de neutrones

Por eso, si el objeto menos masivo detectado en la fusión fuera un agujero negro, habría que plantearse las teorías sobre la formación de estos objetos tras el colapso de estrellas o por qué se han observado tan pocos tan pequeños, según Font.

Otra opción que ha señalado este investigador es pensar en objetos más especulativos, como agujeros negros primordiales o estrellas de bosones. Esta posibilidad es «más interesante intelectualmente», según Mario Pérez, y «abre la puerta a explicar la materia oscura con los agujeros negros primordiales».

Dado que la sensiblidad de los detectores de ondas gravitacionales está mejorando constantemente, con el tiempo se acumularán nuevas observaciones. De momento ya hay docenas que están siendo analizadas: «Esto permitirá disponer de una estadística suficiente para poder comenzar a dar respuestas a preguntas como las que GW190814 plantea», ha dicho José Antonio Font. Así se entenderá mejor cuál es el papel de los agujeros negros y las estrellas de neutrones en el universo.

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