¿La onda gravitacional imposible? Un hallazgo que desafía los modelos

El 2 de septiembre se publicaron dos artículos científicos [1] referidos a una onda gravitacional llamada GW190521, que pudo haber sido generada por la fusión de dos agujeros negros, con una masa total de aproximadamente 150 veces la masa de nuestro Sol. Las ondas gravitacionales son perturbaciones que viajan a la velocidad de la luz y deforman la curvatura del espacio-tiempo. Estas ondas se producen por cuerpos muy masivos acelerados, o eventos tales como la colisión de agujeros negros.

La existencia de las ondas gravitacionales fue propuesta como hipótesis por primera vez por Henri Poincaré en 1905 y en 1916 Albert Einstein reafirmó su existencia en el marco de la Teoría General de la Relatividad. Sin embargo, recién el 14 de septiembre de 2015 fue detectada la primera onda gravitacional por el Observatorio de detección de ondas gravitatorias LIGO (siglas en inglés de Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, en español, Observatorio de ondas Gravitacionales por Interferometría Láser) y desde entonces ya se han detectado 11 ondas gravitacionales.

Lo particular de esta última es que pareciera provenir de la interacción entre dos agujeros negros, cuyas masas equivalen a alrededor de 66 y 84 veces la masa del Sol cada uno, es decir, dos objetos muy pesados y compactos, que concentran una gran masa en un espacio muy pequeño, es decir muy densos. La fusión de estos dos agujeros negros dio lugar un gran agujero negro de 142 masas solares y un resto de 8 masas solares como remanente de la fusión, dedicados a viajar por el espaciotiempo perturbándolo a su paso. El viaje de la onda habría durado unos 7 mil millones de años desde el instante en que ocurrió la fusión de los agujeros negros hasta pasar por la Tierra y finalmente ser detectada el 21 de mayo de 2019 por los instrumentos de VIRGO (Italia) y LIGO (EE UU).

El pasado 2 de septiembre se confirmó y comunicó la detección luego de muchas pruebas y estudios apuntados a corroborar que no se tratase de algún otro fenómeno o simplemente de un error.

¿Cómo se forma un agujero negro?

Los agujeros negros estelares se forman luego de que una estrella muy pesada (con mucha más masa que nuestro Sol) muere en una espectacular explosión de supernova. La explosión ocurre una vez que la fusión nuclear ha convertido la mayor parte del núcleo de la estrella en hierro. En este punto, la estrella se ha quedado sin combustible nuclear y su núcleo comienza a colapsar sobre sí mismo. Si la masa de la estrella es mayor que un cierto valor (estimado en al menos 2,17 masas solares) su núcleo colapsará en un agujero negro (no todas las estrellas tienen masa suficiente para convertirse en agujeros negros).

Construyendo masa de agujero negro: Esta ilustración artística muestra un esquema jerárquico para fusionar agujeros negros, que a su vez fueron formados a partir de agujeros negros más pequeños. Crédito de la imagen: LIGO / Caltech / MIT / R. Herido (IPAC).
Los agujeros negros formados pueden tener hasta un valor máximo de 65 masas solares. Por encima de ese valor de masa, las capas externas de la estrella colapsan hacia adentro y la estrella explota sin dejar ningún remanente de agujero negro. Por otro lado, si el valor está por encima de las 135 masas solares, nuevamente tenemos estrellas que directamente colapsarán en un agujero negro. De esta manera, existe una brecha entre las 65 y las 135 masas solares donde no hay formación –teóricamente– de agujeros negros.

Por otro lado, tenemos otro tipo de agujeros negros denominados supermasivos, con millones de masas solares, como el que está en el centro de nuestra galaxia y como el que fue observado en el centro de la galaxia M87, pero éstos no están relacionados con la onda gravitacional observada en este caso.

Un agujero negro inesperado, pero no imposible

Como dijimos anteriormente, se detectó una señal que indica que dos agujeros negros, uno de 66 y otro de 84 masas solares, giraron entre sí acercándose cada vez más (lo que se suele llamar “merger”, del inglés “fusionarse”). En particular, el agujero negro de 84 masas solares está muy por fuera del rango de formación de agujeros negros estelares, y mucho más lejos aun de los supermasivos: se trata de un agujero negro inesperado dentro de los márgenes de la teoría.

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

Podría tratarse así de un régimen de agujeros negros de masa intermedia que no se formaron, en principio, por explosiones de estrellas, ni tampoco son agujeros negros supermasivos. Si bien hay objetos detectados que son potenciales candidatos para entrar en este rango, aún no se ha confirmado ninguno mediante la observación directa.

Ante este interrogante, surgen dos posibles escenarios para que se dé este evento: por un lado, que ambos objetos (el de 66 y el de 84 masas solares) sean productos del final de la vida de una estrella, y que los modelos astrofísicos de reacciones nucleares actuales estudiados y desarrollados en física estelar deban ser revisados.

Un segundo escenario posible es que, por ejemplo, el objeto de 84 masas solares sea producto de una fusión de otros dos agujeros negros previos de masas con valores más estándares y acordes a los modelos ya conocidos y bien estudiados. En este segundo escenario el objeto de 84 masas solares sería un “agujero negro de segunda generación”, es decir, formado por dos agujeros negros más pequeños que previamente se fusionaron. El estudio de la forma en que giran los agujeros negros que se detectaron da indicios de que este segundo escenario es candidato a ser el más probable, lo cual llevaría a pensar entonces en agujeros negros progenitores de éste de 84 masas solares, mucho más antiguos, provenientes de estrellas mucho más primitivas.

Alguna propuesta más arriesgada también sugiere la idea de que la formación del objeto de 84 masas solares se da a partir de agujeros negros primordiales, aquellos que surgieron en un estadío muy temprano del universo durante las primeras etapas de expansión. Esta especulación ya es demasiado fuerte y por el momento no tenemos manera de testear este planteo (o incluso otros propuestos aún más complejos y menos probables).

Se avecina un futuro muy interesante en el campo de la astrofísica. En una década o poco más, se espera tener funcionando el observatorio LISA (siglas en inglés de LISA, Laser Interferometer Space Antenna, Antena Espacial de Interferómetro Láser), de la NASA, que consta de tres naves espaciales separadas en el espacio con instrumentos que interactuarán entre sí para detectar ondas gravitacionales.; y, en tierra, a una tercera generación de detectores mucho más sensibles, lo cual permitirá ver más fenómenos de este tipo y otros que nos ayudarán a comprender mejor nuestro universo.

Estamos dando los primeros pasos en una nueva era de observaciones de agujeros negros.(LID) Por María Luján Rojas Kaufmann / Rosario Escobar

[1] Acá se puede consultar el artículo de investigacion orginal: https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.125.101102