GW190521 o la extraña fusión de dos agujeros negros

Los detectores LIGO (Estados Unidos) y Virgo (Italia) han captado una misma señal que se interpretaría como una fuente de ondas gravitacionales. Pero no una cualquiera: la más potente jamás observada. Estiman que se podría tratar de la fusión de dos agujeros negros, pero… ¿sería así? La han llamado GW190521 y fue captada el 21 de mayo de 2019. Ahora, tras analizar los datos proporcionados por los dos detectores, los científicos intentan averiguar cómo se produjo.

La señal es inequívoca de acuerdo a lo detectado ya que la estimación de una falsa alarma es de 1 en 4 900 años y la relación de señal a ruido tiene una magnitud de 14,7 dB. Además, fue observada en cuatro canales distintos de detección. Duró apenas una décima de segundo y consiste de unos cuatro ciclos todos ellos contenidos en la banda de frecuencia 30-80 Hz.

Fuese cual fuese el origen de esta onda gravitacional, lo que se sabe es que se produjo hace unos 7 000 millones de años. Las primeras estimaciones apuntan a que un agujero negro de unas 85 masas solares chocó con otro de 66 masas solares. Y este escenario queda muy inconcluso si nos ceñimos a las leyes que rigen la formación de ondas gravitacionales, que son las leyes de la Relatividad General de Einstein, no queda claro. Esta investigación ha sido publicada en dos artículos liderados por R. Abbott, uno en Physical Review Letters (Abbott, 2020a), el otro en The Astrophysical Journal Letters (Abbott, 2020b) y podrán consultarlos en las referencias.

El tamaño de los agujeros negros

A pesar de lo extraño de esta fusión, y a continuación les mostraré de dónde surge esa rareza, todo apuntaría a un choque de dos agujeros negros, recuerden, 85 y 66 masas solares. Tras un proceso de fusión se generó un nuevo agujero negro con una masa de 142 masas solares. El resto de masa, unas 9 masas solares, se transformó en energía que a medida que se propagaba, fue curvando el espacio-tiempo haciéndolo vibrar.

Esa vibración del tejido espacio-tiempo se desplazó -y se sigue desplazando- a la velocidad de la luz, aunque se va atenuando a medida que pasa el tiempo. Cuando esta onda espaciotemporal interactuó con los interferómetros LIGO y Virgo, la detectó. «Hasta ahora todas las fusiones de agujeros negros y estrellas de neutrones que se habían captado eran sabor vainilla; gustaban a casi todos los físicos porque se correspondían con lo que era de esperar», explica Toni Font, físico teórico de la Universidad de Valencia y colaborador de Virgo.

Lo extraño del hallazgo

Y ahora viene el porqué de la rareza de este hallazgo. Según sabemos, los agujeros negros de entre 65 y 120 masas solares se les conoce como «agujeros negros de masa intermedia» y no se sabe muy bien cómo se originan ya que resultan más pequeños que los supermasivos y más grandes que los de masa estelar. Ahora bien, volviendo al origen de GW190521 hay teorías que explican su formación. Las más innovadoras podrían incluso ser merecedoras de un premio Nobel ya que revolucionarían nuestra comprensión del universo. A continuación, les hablaré de algunas de ellas, de más a menos probables.

Los agujeros negros no proceden de una muerte estelar

Una de las explicaciones que se barajan sobre el origen de estos extraños agujeros negros es que no procedan directamente de muertes de estrella. Entonces, ¿de dónde procedería un agujero negro si no es de una muerte de estrella? Al igual que estos dos agujeros negros han formado uno mayor, cada uno de estos dos agujeros negros procedería de una fusión de dos agujeros negros de masa estelar.

Agujeros negros originados en cúmulos globulares

Un cúmulo globular es una agrupación de miles de estrellas que generalmente están muy envejecidas. Las estrellas están unidas gravitatoriamente unas a otras y al morir muchas de ellas generarían agujeros negros. Si tenemos un gran número de ellos, algo factible, algunos estarían tan cercanos entre sí que terminarían atrayéndose para posteriormente fusionarse y generar agujeros negros más grandes y fusionarse entre ellos logrando el resultado que se observa en GW190521.

Agujeros negros primordiales

Otra hipótesis apunta a que estos dos agujeros negros que han dado lugar al evento GW190521 se traten de agujeros negros primordiales. Esto quiere decir que son el resultado de un proceso de colapso de materia que tuvo lugar pocos segundos después del Big Bang, hace unos 13 700 millones de años. Según las hipótesis que teorizan sobre estos agujeros negros primordiales, estarían formados de materia oscura.

Una cuerda cósmica

Esta hipótesis descarta la fusión de agujeros negros y apunta a que lo detectado es una cuerda cósmica. Se trata de hilos unidimensionales que se formaron antes que los agujeros negros primordiales. Estas cuerdas se formaron unas fracciones de segundo tras el Big Bang y al viajar por el espacio-tiempo han atravesado los detectores LIGO y Virgo pudiendo detectarlas.

Una detección sin gorjeo

Otro aspecto extraño de esta detección es que ha sido radicalmente distinta a las detecciones anteriores. Generalmente, cuando dos agujeros negros se fusionan inician una especie de baile uno alrededor del otro. Esto se manifiesta en lo que los físicos denominan «gorjeo», una secuencia de ondas que se vuelve cada vez más aguda a medida que los agujeros negros se acercan entre sí. El gorjeo finaliza con un pico en la señal que se corresponde con la liberación de energía fruto de la fusión.

En esta ocasión no se ha producido ni gorjeo ni nada que se le parezca. Tan solo el pico que se interpretaría como la fusión de los dos agujeros negros. Pero si no ha habido gorjeo, ¿ha habido fusión? Todo apunta a que lo más probable es que sí, que la haya habido, por muy sugerente que parezca la hipótesis de la cuerda cósmica. Aunque cuenta con probabilidad, es poco probable.

Por su naturaleza distinta en lo que a detección se refiere, este resultado es, probablemente, el descubrimiento más importante en el campo de las ondas gravitacionales desde que se detectase la primera de ellas hace cuatro años. Font asegura que es un fenómeno tan extraño que todavía no podemos responder a las preguntas que se plantean a raíz del hallazgo.

Referencias

• Abbott, R., et al (2020a). «GW190521: A Binary Black Hole Merger with a Total Mass of 150 M⊙». Physical Review Letters, 125, 101102. DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.101102 (Ver) (PDF).
• Abbott, R., et al (2020b). «Properties and Astrophysical Implications of the 150 M_⊙ Binary Black Hole Merger GW190521″. The Astrophysical Journal Letters, 900 L13. DOI: 10.3847/2041-8213/aba493 (Ver) (PDF).
• Domínguez, N. (2020). «Los científicos captan una enorme onda gravitacional que no debería existir». El País – Materia (Ver).