Astrónomos detectan la mayor colisión de agujeros negros hasta la fecha

Según una nueva investigación, la colisión observada entre dos agujeros negros, cada uno más masivo que cien soles, constituye la mayor fusión de este tipo jamás registrada. Un equipo de astrónomos descubrió el evento, denominado GW231123, cuando el Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferometría Láser (LIGO, pos sus siglas en inglés), un par de instrumentos idénticos ubicados en Livingston, Louisiana, y Hanford, Washington, detectó tenues ondas en el espacio-tiempo producidas por la colisión de dos agujeros negros. Los físicos denominan a estas ondas ondas gravitacionales. Albert Einstein predijo las ondas gravitacionales en 1915 como parte de su teoría de la relatividad, pero creía que eran demasiado débiles para ser descubiertas por la tecnología humana. Sin embargo, en 2016, LIGO las detectó por primera vez durante la colisión de dos agujeros negros, lo que confirmó (una vez más) la certeza de Einstein. Al año siguiente, tres científicos recibieron premios por sus contribuciones clave al desarrollo de lo que se conoce popularmente como un “telescopio de agujeros negros”. Desde la primera detección de ondas gravitacionales, LIGO y sus instrumentos hermanos —Virgo en Italia y KAGRA en Japón— han detectado indicios de unas 300 fusiones de agujeros negros. “Estos asombrosos detectores son realmente los instrumentos de medición más sensibles que la humanidad haya construido jamás”, afirmó Mark Hannam, director del Instituto de Exploración de la Gravedad de la Universidad de Cardiff (Reino Unido) y miembro de la Colaboración Científica LIGO. “Así pues, estamos observando los eventos más violentos y extremos del universo con las mediciones más pequeñas que podemos realizar”. GW231123, sin embargo, es excepcional entre esas 300 fusiones de agujeros negros, y no solo por ser la colisión más masiva. “Los agujeros negros individuales son especiales porque se encuentran en un rango de masas donde no esperamos que se produzcan a partir de estrellas moribundas”, dijo Charlie Hoy, investigador de la Universidad de Plymouth (Reino Unido) y miembro de la Colaboración Científica LIGO. “Por si fuera poco”, continuó, “es probable que los agujeros negros giren casi tan rápido como es físicamente posible.GW231123 representa un verdadero desafío para nuestra comprensión de la formación de agujeros negros”. Las ondas gravitacionales son la única forma en que los científicos pueden observar una colisión en un sistema binario en el que dos agujeros negros orbitan entre sí.“Antes de que pudiéramos observarlos con ondas gravitacionales, incluso se cuestionaba si existían sistemas binarios de agujeros negros”, explicó Hannam.“Los agujeros negros no emiten luz ni ninguna otra radiación electromagnética, por lo que cualquier telescopio convencional es incapaz de observarlos”. Según la teoría de la relatividad general de Einstein, la gravedad es una expansión del espacio y el tiempo, y obliga a los objetos a moverse a través del espacio curvo. Cuando los objetos se mueven muy rápido, como los agujeros negros en rotación, el espacio curvo forma ondulaciones que se extienden como ondas. Estas ondas gravitacionales son “extremadamente débiles”, según Hannam, y la información que pueden proporcionar es limitada. Por ejemplo, existe incertidumbre sobre la distancia de GW231123 a la Tierra; podría estar hasta a 12.000 millones de años luz. Hannam tiene mayor certeza sobre la masa de los dos agujeros negros, que se cree que son aproximadamente 100 y 140 veces la masa del Sol. Sin embargo, estas cifras son desconcertantes: “Existen mecanismos estándar para la formación de agujeros negros: cuando las estrellas agotan su combustible, mueren y luego colapsan”, dijo Hannam. “Pero existe un rango de masas en el que creemos que es imposible que los agujeros negros se formen de esa manera. Y los agujeros negros de GW231123 se encuentran en medio de esa brecha de masa. Así que surge la pregunta de cómo se formaron, lo que los hace bastante interesantes”. La “brecha de masa” a la que se refiere Hannam comienza en unas 60 masas solares y llega hasta aproximadamente 130. Sin embargo, dado que se trata de un rango teórico, es decir, no se ha observado directamente, existe cierta incertidumbre sobre dónde comienza y dónde termina. Si los agujeros negros de GW231123 efectivamente caen en esta brecha, es probable que no se formaran por el colapso de estrellas, sino de alguna otra forma. En un estudio publicado el lunes en el repositorio de acceso abierto Arxiv, Hannam y sus colegas sugieren que la “brecha de masa” podría explicarse si los dos agujeros negros son el resultado de fusiones previas, en lugar de ser producto de la muerte de estrellas. “Este es un mecanismo del que se ha hablado en el pasado y del que ya hemos visto indicios”, afirmó. En este escenario, se produce una reacción en cadena de fusiones de agujeros negros.“Se puede dar este proceso en el que simplemente se acumulan agujeros negros cada vez más masivos. Y dado que los agujeros negros en GW231123 parecen tener masas que no se podrían obtener mediante mecanismos normales, esto es un fuerte indicio de que se está generando otro proceso, donde se producen estas fusiones sucesivas”, explicó Hannam. Si esta hipótesis se confirmara, sugeriría la existencia de una población inesperada de agujeros negros cuya masa se sitúa entre los agujeros negros que se forman a partir de la muerte de estrellas masivas y los agujeros negros supermasivos que se encuentran en el centro de las galaxias, afirmó Dan Wilkins, investigador del Instituto Kavli de Astrofísica de Partículas y Cosmología de la Universidad de Stanford. Wilkins no participó en el descubrimiento de GW231123. “Las ondas gravitacionales están abriendo una ventana realmente interesante al estudio de los agujeros negros y revelando algunos misterios realmente intrigantes”, añadió. Antes de la llegada de la astronomía de ondas gravitacionales, solo podíamos detectar agujeros negros que crecían activamente atrayendo material, lo que producía una potente fuente de luz. Las ondas gravitacionales nos muestran una parte diferente de la población de agujeros negros, que crece no atrayendo material, sino fusionándose con otros agujeros negros. Otra característica sorprendente de GW231123 es la rapidez con la que ambos agujeros negros giran uno alrededor del otro. “Hasta ahora, la mayoría de los agujeros negros que hemos encontrado con ondas gravitacionales han girado bastante lento”, afirmó Charlie Hoy. “Esto sugiere que GW231123 podría haberse formado mediante un mecanismo diferente al de otras fusiones observadas, o podría ser una señal de que nuestros modelos necesitan cambiar”. Estos giros de alta velocidad son difíciles de producir, pero también respaldan la idea de que los agujeros negros ya habían experimentado fusiones previas, debido que los científicos esperarían que los agujeros negros fusionados previamente giraran más rápido, según Hannam. “GW231123 desafía nuestros modelos de señales de ondas gravitacionales, ya que es complejo modelar giros tan rápidos, y se destaca como un evento extraordinario cuya interpretación resulta enigmática”, afirmó Sophie Bini, investigadora postdoctoral en Caltech y miembro de la Colaboración LIGO-Virgo-KAGRA. “Lo que más me sorprendió es cuánto aún queda por aprender sobre las ondas gravitacionales. Espero sinceramente que en el futuro podamos observar otros eventos similares a GW231123 para mejorar nuestra comprensión de estos sistemas”. El récord anterior de la fusión de agujeros negros más masiva jamás observada correspondía a una fusión llamada GW190521, cuya magnitud era solo un 60 % menor que la de GW231123. Sin embargo, Hannam afirmó que los científicos podrían encontrar fusiones aún más masivas en el futuro, y que las colisiones podrían observarse algún día mediante instrumentos aún más precisos que podrían estar disponibles en las próximas dos décadas, como el propuesto Cosmic Explorer en EE.UU. y el Telescopio Einstein en Europa. Este nuevo descubrimiento abre una nueva ventana sobre cómo se forman y crecen los agujeros negros, afirmó Imre Bartos, profesor asociado de la Universidad de Florida, quien no participó en la investigación. “También demuestra la rapidez con la que está madurando la astronomía de ondas gravitacionales”, agregó. “En menos de una década, hemos pasado de la primera detección a trazar un territorio que desafía nuestras mejores teorías”. Si bien coincide en que las fusiones previas podrían explicar tanto la alta masa como la rápida rotación de los agujeros negros, otras posibilidades incluyen colisiones repetidas en cúmulos estelares jóvenes o el colapso directo de una estrella inusualmente masiva. Añadió, sin embargo, que esas posibilidades serían menos propensas a producir agujeros negros con una rotación tan rápida. Es muy natural explicar los agujeros negros en GW231123 como remanentes de una o incluso varias generaciones de fusiones previas, afirmó Zoltan Haiman, profesor del Instituto de Ciencia y Tecnología de Austria, quien tampoco participó en el descubrimiento. Esta idea ya se planteó inmediatamente después de la primera detección de LIGO de una fusión (de agujeros negros), pero esta nueva fusión es muy difícil de explicar de otras maneras. Futuras detecciones, añadió, nos dirán si esta lucha de peso pesado fue un hecho aislado o la punta de un iceberg enorme. 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