La ilustración muestra cómo fue la fusión de dos agujeros negros de 85 y 66 masas solares, algo nunca observado hasta ahora

El Universo entero está en una constante vibración en forma de ondas gravitacionales, ondulaciones en el espacio-tiempo causadas por algunos de los eventos astrofísicos más extremos y violentos que existen. De este modo, y como si de las vibraciones de una campana se tratara, las ondas gravitacionales sacuden el tejido del Universo y se transmiten a enormes distancias, transportando una valiosa información sobre los fenómenos de los que proceden.

Y ahora, una colaboración internacional de investigadores de varias universidades ha detectado una señal de lo que a todas luces es la mayor fusión de agujeros negros observada hasta la fecha. El producto de esa fusión es, ni más ni menos, que un agujero negro con una masa estimada de 142 soles. Se trata, pues, de la primera detección clara de un agujero negro “de masa intermedia”, una categoría que se sitúa entre los de masa estelar y los agujeros negros supermasivos que residen en el centro de la mayoría de las galaxias.
En dos artículos publicados en Physical Review Letters y Astrophysical Journal Letters, los investigadores captaron la extraordinaria señal, llamada GW190521, el pasado 21 de mayo de 2019 con los detectores LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory), en Estados Unidos, y Virgo, en Italia.

La señal, que consiste en cuatro cortas vibraciones, tuvo una duración extremadamente breve, menos de una décima de segundo. Su origen se encuentra a más de 7.000 millones de años luz de distancia, cuando el Universo tenía cerca de la mitad de su edad actual, lo que la convierte además en una de las fuentes de ondas gravitacionales más distantes detectadas hasta ahora.

“Esto no se parece mucho a un chirrido, que es lo que normalmente detectamos -explica Nelson Christensen, investigador de Virgo-. Ha sido más bien como algo que hace ´bang´y es la señal más masiva que LIGO y Virgo han visto jamás”.

Simulación de dos agujeros negros que se inspiran y se fusionan emitiendo ondas gravitacionales
Simulación de dos agujeros negros que se inspiran y se fusionan emitiendo ondas gravitacionales

La fusión más masiva

Prácticamente todas las señales de ondas gravitacionales confirmadas hasta ahora proceden de una fusión binaria, ya sea entre dos agujeros negros o entre dos estrellas de neutrones. Pero esta fusión en concreto es la mayor vista hasta ahora, y se produjo entre dos agujeros negros con masas de alrededor de 85 y 66 veces la del Sol.

El equipo de LIGO y Virgo pudo comprobar también que a medida que los dos agujeros negros se iban acercando entre sí giraban rápidamente sobre sí mismos, aunque en ángulos que no estaban alineados con los ejes de sus órbitas. Esos giros “desalineados”, como los de una peonza, probablemente causaron que sus órbitas se tambalearan al mismo tiempo que ambos giraban frenéticamente en espiral uno alrededor del otro hasta fusionarse en un agujero negro mayor.

La señal GW190521 captada por los investigadores representa el instante en que los dos objetos se fusionaron, dando lugar a un agujero negro de aproximadamente 142 masas solares, y liberando una enorme cantidad de energía, equivalente a la de ocho soles, en forma de ondas gravitacionales que empezaron a expandirse por todo el Universo.

El problema de los agujeros negros de masa intermedia

Tanto las masas excepcionalmente grandes de los dos agujeros negros fusionados como la del agujero negro aún mayor resultante plantean a la ciencia toda una serie de cuestiones sobre su formación que resultan difíciles de responder.

De hecho, todos los agujeros negros observados hasta el momento pertenecen a una de dos únicas categorías: agujeros negros de masa estelar, que no superan las pocas decenas de masas solares y que se forman durante la explosión como supernovas de estrellas muy masivas; o agujeros negros supermasivos, que se encuentran en los centros de las galaxias y cuyas masas van desde cientos de miles hasta miles de millones de veces la del Sol.

Sin embargo, el agujero negro de 142 masas solares generado durante la fusión GW190521 se encuentra en un rango intermedio, entre los estelares y los supermasivos. Y también los dos agujeros que se fusionaron para dar lugar a más grande parecen ser únicos en cuanto a tamaño. En efecto, son tan masivos que resulta difícil pensar que se hayan formado a partir del colapso de una estrella. Y se desconoce cuál podría ser el mecanismo capaz de generarlos. Se trata de la primera vez que los científicos se encuentran cara a cara con dos agujeros negros de 85 y 66 masas solares.

“El hecho de que estemos viendo agujeros negros tan masivos -asegura Christensen- hará que muchos astrofísicos se rasquen la cabeza y traten de averiguar cómo pudieron formarse esos agujeros negros”.

Una posibilidad, que los investigadores consideran en su segundo artículo, es que los dos agujeros negros “progenitores” podrían haberse formado a su vez a partir de la fusión de agujeros negros más pequeños.

En palabras de Alan Weinstein, miembro de LIGO, “este evento aporta más preguntas que respuestas, aunque desde la perspectiva de la física, se trata de algo muy emocionante”.

¿Y si se tratara de otra cosa?

Los investigadores tienen datos que les llevan a estar prácticamente convencidos de que, efectivamente, la única explicación posible para la señal GW190521 es la fusión de dos enormes agujeros negros de un tamaño nunca visto hasta ahora. ¿Pero qué pasaría si esa señal de ondas gravitacionales hubiera sido producida por algo completamente nuevo y desconocido?

En su artículo, los investigadores dejan un pequeño resquicio abierto a esa posibilidad. Por ejemplo, escriben, puede que las ondas gravitacionales fueran emitidas por una estrella en pleno colapso desde dentro de nuestra propia galaxia, y no a miles de millones de años luz de distancia. O la señal podría ser, también, una “cuerda cósmica” producida durante los primeros instantes del Universo, justo después de su etapa de inflación…

“Desde que activamos LIGO por primera vez -concluye Weinstein- todo lo que hemos observado hasta ahora han sido fusiones de agujeros negros o de estrellas de neutrones. Este es el único evento en el que nuestro análisis permite la posibilidad de que no se trate de una colisión. Aunque es muy consistente con una fusión de agujeros negros excepcionalmente masiva y las explicaciones alternativas no son probables, esta detección está resquebrajando nuestra confianza. Y eso la convierte en algo muy emocionante, porque todos estábamos esperando algo nuevo, algo desconocido que pudiera desafiar lo que ya hemos aprendido. Este evento tiene el potencial de conseguir precisamente eso”.

/psg