Las ondas en el espacio-tiempo generadas por la colisión de agujeros negros nos han enseñado mucho sobre estos enigmáticos objetos. Estas ondas gravitacionales codifican información sobre los agujeros negros: sus masas, la forma de su espiral interna entre sí, sus giros y sus orientaciones.
A partir de esto, los científicos determinaron que la mayoría de las colisiones que hemos visto han sido entre agujeros negros en sistemas binarios. Los dos agujeros negros comenzaron como un binario de estrellas masivas que se convirtieron juntas en agujeros negros, luego entraron en espiral y se fusionaron.
Sin embargo, de las aproximadamente 90 fusiones detectadas hasta ahora, una se destaca como muy peculiar. Detectado en mayo de 2019, GW19052 emitió ondas de espacio-tiempo como ningún otro.
“Su morfología y estructura similar a una explosión son muy diferentes de las observaciones anteriores”, dice la astrofísica Rossella Gamba de la Universidad de Jena en Alemania.
Ella agrega: “GW190521 se analizó inicialmente como la fusión de dos agujeros negros pesados que giran rápidamente y se acercan entre sí a lo largo de órbitas casi circulares, pero sus características especiales nos llevaron a proponer otras interpretaciones posibles”.
En particular, la corta y aguda duración de la señal de ondas gravitacionales fue difícil de explicar. Las ondas gravitacionales son generadas por la fusión real de dos agujeros negros, como las ondas de una roca que se deja caer en un estanque. Pero también son generados por la espiral binaria, y la intensa interacción gravitacional envía ondas más débiles a medida que dos agujeros negros se acercan inexorablemente.
“La forma y la brevedad -menos de una décima de segundo- de la señal asociada con el evento nos llevan a plantear la hipótesis de una fusión instantánea entre dos agujeros negros, que ocurrió en ausencia de una fase en espiral”, explica el astrónomo Alessandro Nagar del Instituto Nacional de Física Nuclear de Italia.
Hay más de una manera de terminar con un par de agujeros negros interactuando gravitacionalmente. La primera es que los dos estuvieron juntos durante mucho tiempo, quizás incluso desde la formación de estrellas bebés a partir del mismo trozo de nube molecular en el espacio.
La otra es cuando dos objetos que se mueven por el espacio se cruzan lo suficientemente cerca como para engancharse gravitacionalmente en lo que se conoce como un encuentro dinámico. Esto es lo que Gamba y sus colegas pensaron que podría haber sucedido con GW190521, por lo que diseñaron simulaciones para probar su hipótesis. Rompieron pares de agujeros negros, ajustando parámetros como la trayectoria, el giro y la masa, para intentar reproducir la extraña señal de onda gravitacional detectada en 2019.
Sus resultados sugieren que los dos agujeros negros no comenzaron en un binario, sino que quedaron atrapados en la red gravitatoria del otro, tropezando uno contra el otro dos veces en un bucle salvaje y excéntrico antes de chocar para formar un agujero negro más grande. Y ninguno de los agujeros negros en este escenario estaba girando.
“Al desarrollar modelos precisos utilizando una combinación de métodos analíticos de última generación y simulaciones numéricas, descubrimos que una fusión altamente excéntrica en este caso explica la observación mejor que cualquier otra hipótesis planteada anteriormente”, dice el astrónomo Matteo Breschi de la Universidad de Jena.
“¡La probabilidad de error es 1:4,300!”
Este escenario, dice el equipo, es más probable en una región del espacio densamente poblada, como un cúmulo de estrellas, donde tales interacciones gravitacionales son más probables. Esto sigue la pista de descubrimientos previos sobre GW190521. Uno de los agujeros negros en la fusión se midió en alrededor de 85 veces la masa del Sol. Según nuestros modelos actuales, los agujeros negros de más de 65 masas solares no pueden formarse a partir de una sola estrella. La única forma en que sabemos que se puede formar un agujero negro de esa masa es a través de fusiones entre dos objetos de menor masa.
El trabajo de Gamba y sus colegas encontró que las masas de los dos agujeros negros en la colisión se ubican en alrededor de 81 y 52 masas solares. Eso es un poco más bajo que las estimaciones anteriores, pero uno de los agujeros negros todavía está fuera de la ruta de formación del colapso del núcleo de una sola estrella. Todavía no está claro si nuestros modelos necesitan ajustes, pero las fusiones jerárquicas, en las que se forman estructuras más grandes a través de la fusión continua de objetos más pequeños, son más probables en un entorno de clúster con una gran población de objetos densos.
Los encuentros dinámicos entre agujeros negros se consideran bastante raros, y los datos de ondas gravitacionales recopilados por LIGO y Virgo hasta la fecha parecen respaldar esto. Sin embargo, raro no significa imposible, y el nuevo trabajo sugiere que GW190521 puede ser el primero que detectamos.
Y una primera significa que podría haber más en los próximos años. Los observatorios de ondas gravitacionales se están actualizando y manteniendo actualmente, pero volverán a estar en línea en marzo de 2023 para una nueva serie de observación. Esta vez, los dos detectores de LIGO en EE. UU. y el detector de Virgo en Italia se unirán a KAGRA en Japón para obtener aún más poder de observación. Más detecciones como GW190521 serían increíbles.
La investigación ha sido publicada en Nature Astronomy.
Fuente: Science Alert.
