Detectan las ondas gravitacionales producidas por la colisión entre un agujero negro y un objeto con una masa que es intermedia entre la de una estrella de neutrones y la de un agujero negro.
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La observación de ondas gravitacionales está siendo toda una revolución en Astrofísica. La puesta en marcha de nuevos interferómetros y la mejora de los ya existentes está proporcionando cada día más casos de colisiones de cuerpos. Además, las ondas que emiten estos eventos se registran con mayor precisión.
El último caso interesante en hacerse público ha sido una colisión asimétrica entre un agujero negro y un cuerpo que no se sabe muy bien qué es. Este objeto, con unas 2,6 masas solares, es demasiado pesado para ser una estrella de neutrones y demasiado ligero para ser un agujero negro.
Estamos hablando de objetos muy diferentes en su estructura. Una estrellas de neutrones es como un núcleo gigante con una densidad colosal, pero tiene una superficie y estructura interna. Un agujero negro no es más que una región vacía del espacio que ha sido curvada por su propia gravedad hasta ser un punto.
El nuevo objeto cae dentro de una gama de masas hipotética a la que se ha llamado «mass gap». Esta «zanja de masas» sería un intervalo de masas vacío o «desierto» al que no pertenecería ningún objeto.
Todavía es pronto para afirmar nada al respecto, pues tenemos solamente una estadística de un caso, pero este resultado sugiere que quizás este desierto de objetos no exista o esté mucho menos desierto de lo que se creía. A raíz de este hallazgo algunos físicos creen que, al menos, habrá que repensar esta hipótesis.
Detectar este tipo de eventos es complicado. De entrada, la emisión de ondas gravitatorias no se ve favorecida cuando hay una gran asimetría de masas. Para tener una buena emisión de este tipo con ondas del propio espacio-tiempo lo ideal es tener dos masas enormes iguales rotando muy cerca una de la otra. Si una de las masas es mucho más pequeña la emisión de ondas gravitatorias, que son cuadrupolares, es más débil, pues el sistema se puede aproximar a único objeto con la masa más grande.
Sin embargo, esta vez las circunstancias de observación fueron óptimas y se registraron 10 segundos de ondas gravitacionales en lo que fue la mejor medida hasta la fecha realizada mediante ondas gravitacionales de la velocidad de rotación de un agujero negro.
La detección por parte de la colaboración LIGO-Virgo de este nuevo caso se dio durante la tercera campaña que fue de abril de 2019 a marzo de 2020. En concreto este evento se registró el 14 de agosto de 2019 y consistió en la colisión de un agujero negro de 23 masas solares y este nuevo tipo de objeto de 2,6 masas solares. La colisión se dio a 750 millones de años luz de nosotros.
Aunque el sistema que usa LIGO-Virgo alterna campañas de observación con periodos de actualización de la parte técnica, esta vez el final de la tercera campaña fue precipitado por la pandemia de COVID-19, que forzó el cierre de muchas centros de investigación.
La física nuclear dice que una estrella de neutrones de 2,2 masas solares no puede soportar su propio peso o 2,5 si hay rotación y se llevan los presupuestos al límite posibles. Así que lo más seguro es que este objeto de 2,6 masas solares fuera un agujero negro.
Tanto las estrellas de neutrones como los agujero negros se forman al final de la vida de estrellas masivas que explotan como supernovas de tipo II. Dependiendo de su masa y, por tanto, de la masa del núcleo de la estrella, resulta uno u otro tipo de objeto.
El problema es que es complicado observar un agujero negro de esa masa tan pequeña. Este sería el primero. La estadística que se tiene de este tipo de objetos se obtiene a partir de casos de agujeros negros que forman parte de un sistema binario. Parte de la masa de la estrella compañera puede caer en él y se emite radiación que puede ser analizada. Hasta ahora, todos los casos estudiados de este tipo tienen 5 masas solares o más. Ninguna cae en el «desierto». Los modelos de explosión de supernovas también favorecen la formación agujeros negros con más de 5 masas solares.
Aunque, también es verdad, no hay ninguna ley física que impida que se formen agujeros negros de menos de esa masa. La propia colaboración LIGO-Virgo nos habla de otra manera de obtener agujeros negros de muy baja masa. En 2017 registraron un evento de lo que pudo ser la colisión de dos estrellas de neutrones que habrían dado lugar a un agujero negro de 2,7 masas solares.
Así que este tipo de objetos se podrían formar por la colisión de estrellas de neutrones, o bien cuyas estrellas progenitoras ya formaran un sistema binario o bien que se hayan formado por separado en sitios de alta densidad, como los cúmulos globulares, y se hayan acercado lo suficiente.
Aunque también queda la posibilidad de que se tratara de un objeto más exótico, como una estrella de quarks.
En el futuro, según se sigan registrando este tipo de eventos, se sabrá la abundancia de agujeros negros ligeros o la existencia de objetos exóticos. Más interferómetros se pondrán en marcha y, con un poco de suerte, también se lanzará LISA, que será un interferómetro espacial. Durante todo este tiempo se irá mejorando la estadística existente e iremos comprendiendo mejor el Universo que nos acoge.
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Fuentes y referencias:
Nota en LIGO. [2]
Ilustración: LIGO/Caltech/MIT/R. Hurt (IPAC)