UNA ONDA GRAVITACIONAL EXCEPCIONAL

Nuestra idea de un espacio vacío poco a poco va cambiando. Miles, tal vez millones de agujeros negros, podrían estar colisionando justo en este momento. Tal vez, lo han estado haciendo durante buena parte de la vida del Universo.

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Esos choques y fusiones, de los objetos más exóticos que conocemos, dan lugar a otro agujero negro, más la producción de una bestial cantidad de energía, suficiente como para deformar y cimbrar el espacio-tiempo, y crear lo que conocemos como ondas gravitacionales.

Las colisiones de agujeros negros son como campanadas cósmicas que apenas, desde hace media década, hemos aprendido a escuchar, medir e interpretar.

Una onda gravitacional excepcional

El día de hoy se da a conocer la detección de una de las ondas gravitacionales más excepcionales, con la fusión de los agujeros negros más masivos hasta ahora medidos. La colisión dio lugar a un tipo de agujero negro bastante raro, los llamados de “masa intermedia”, es decir, aquellos con masa entre 100 y 1000 veces la del Sol.

La señal etiquetada como GW190521, se detecto el 21 de mayo de 2019, con el observatorio de ondas gravitacionales LIGO (un par de interferómetros idénticos de 4 kilómetros de largo en Estados Unidos) y Virgo (un detector de 3 kilómetros de longitud en Italia).

La señal, que duró menos de una décima de segundo, tuvo su origen a unos 16 mil 300 millones de años luz de distancia, que la convierte en una de las fuentes de ondas gravitacionales más lejanas detectadas hasta ahora.

Casi todas las señales de ondas gravitacionales confirmadas a la fecha provienen de una fusión binaria, ya sea entre dos agujeros negros o dos estrellas de neutrones. Esta nueva fusión parece ser la más masiva hasta ahora, involucrando a dos agujeros negros de 85 y 66 veces la masa del Sol.

La fusión creó un agujero negro aún más masivo, de unas 142 masas solares, y liberó la energía equivalente a unas 8 masas del sol, transformada en ondas gravitacionales.

La taxonomía de los agujeros negros los clasifica hasta ahora en dos categorías: agujeros negros de masa estelar, que miden hasta pocas decenas de masas solares y se cree que se forman cuando mueren las estrellas masivas; y agujeros negros supermasivos, como el que se encuentra en el centro de la Vía Láctea, que van desde cientos de miles, hasta miles de millones de veces la masa del Sol.

Ondulaciones del espacio-tiempo de la fusión de agujeros negros binarios más masiva jamás observada. Crédito: Deborah Ferguson, Karan Jani, Deirdre Shoemaker, Pablo Laguna, Georgia Tech, MAYA Collaboration.

En la detección de GW190521, el agujero negro producido es de unas 142 masas solares, que lo ubica dentro de un rango de masa intermedia entre los agujeros negros de masa estelar y los supermasivos. Es el primero de su tipo jamás detectado.

Padres peculiares

Por otro lado, el agujero negro progenitor de 85 masas solares también resulta muy extraño. De acuerdo con la física de la evolución estelar, después de que el núcleo de una estrella masiva intenta fusionar hierro, ya no produce presión para soportar las capas externas, entonces la estrella colapsa por su propio peso y genera una explosión llamada “supernova por colapso del núcleo”. Esto puede generar un agujero negro.

Sin embargo, este proceso puede explicar que estrellas tan masivas como 130 masas solares produzcan agujeros negros de hasta 65 masas solares. Para las estrellas más pesadas, se cree que se produce un fenómeno conocido como “inestabilidad por pares“.

Cuando los fotones del núcleo se vuelven extremadamente energéticos, pueden transformarse en un par de electrones y positrones. Estos pares generan menos presión que los fotones, lo que hace que la estrella se vuelva inestable frente al colapso gravitacional, y la explosión resultante es lo suficientemente fuerte como para no dejar nada atrás.

Las estrellas más masivas, por encima de 200 masas solares, eventualmente colapsarían directamente en un agujero negro de al menos 120 masas solares. Una estrella en colapso, entonces, no debería poder producir un agujero negro entre aproximadamente 65 y 120 masas solares, un rango que se conoce como la “brecha faltante de masa de inestabilidad por pares”. El más pesado de los dos agujeros negros que produjeron la señal GW190521, de 85 masas solares, cae en esta clasificación.

Esquema de los agujeros negros progenitores y el resultado de la fusión. Crédito: LIGO/Caltech/MIT/R. Hurt (IPAC)

Una posibilidad, que los investigadores consideran en su segundo artículo, es que los agujeros negros son producto de fusiones jerárquicas de otros agujeros negros más pequeños, antes de migrar juntos y finalmente fusionarse.

El equipo internacional de científicos, que conforman la Colaboración Científica LIGO (LSC) y la Colaboración Virgo, ha informado de sus hallazgos en dos artículos publicados hoy. Uno, que aparece en Physical Review Letters, detalla el descubrimiento, y el otro, en The Astrophysical Journal Letters, analiza las propiedades físicas de la señal y las implicaciones astrofísicas.

Referencias:
GW190521: A Binary Black Hole Merger with a Total Mass of 150 M_Sun, LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration, 2020 Sep. 2, Physical Review Letters.
Properties and Astrophysical Implications of the 150 M_Sun Binary Black Hole Merger GW190521, LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration, 2020 Sep. 2, Astrophysical Journal Letters.

Más información (en idioma Inglés) en el comunicado de LIGO

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