La colaborarión LIGO-Virgo detecta, al menos, un agujero negro de masa intermedia.
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Desde hace unos pocos años tenemos el privilegio de poder observar el Universo usando onda gravitacionales. Los fenómenos más cataclismos que en él se producen generan ondas que distorsionan el propio espacio-tiempo y se propagan durante miles millones de años luz.
Los lectores de NeoFronteras ya saben que estas ondas se registran gracias a los interferómetros LIGO y Virgo. No entraremos en las características técnicas de estos observatorios, que ya hemos visto en otras noticias.
La novedad en este caso es que los científicos de esta colaboración acaban de publicar dos artículos sobre un evento, GW190521, que es plusmarca en su categoría: la colisión de dos agujeros negros de 85 y 66 masas solares. Esa colisión debe de haber generado otro agujero negro de 142 masas solares. El resto, nada menos que unas 8 masas solares completas, fueron convertidas en energía en forma de ondas gravitatorias. La colisión se dio cuando el Universo tenía la mitad de edad que la que tiene ahora y es la más distante que se ha registrado hasta ahora.
El problema es que estos agujeros negros no deberían de existir. Se creía que sólo había agujeros negros pequeños procedentes de estrellas masivas (de decenas de masas solares) y los agujeros negros supermasivos de los centros galácticos (miles o millones de masas solares). Entre medias no debe haber agujeros negros. Estos dos agujeros negros no pueden proceder del colapso de una estrella masiva. Se cree que las estrellas de entre 65 y 135 masas solares no colapsan, por lo que no pueden formar agujeros negros. Obviamente, el agujero negro resultante es también de masa intermedia y es el mayor en ser registrado. Veamos un poco los detalles.
En cualquier estrella la presión de los fotones y del gas en el núcleo se equilibra con la presión producida por la gravedad en sentido contrario. Las estrellas masivas terminan generando hierro en el núcleo que no puede fusionarse, por lo que no se produce energía y el equilibrio se rompe. El núcleo entonces colapsa en un agujero negro o una estrella de neutrones, mientras el resto de la estrella explota en forma de supernova. Una estrella de 130 masas solares puede producir una agujero negro de 65 masas solares mediante este proceso.
En estrella muy masivas que superen esas 130 masas solares se produce una inestabilidad de pares. Los fotones del núcleo tienen mucha energía y producen un par electrón-positrón. Estos pares generan menos presión que los fotones, por lo que la estrella es inestable frente al colapso gravitatorio, lo que produce una explosión o explosiones violentas que no deja detrás masa como para que se dé una supernova. Para estrellas más masivas que 200 masas solares lo que se produce es un colapso total en un agujero negro de al menos 120 masas solares. Por tanto, no es de esperar agujeros negros entre 65 y 120 masas solares. El caso del agujero de 85 masas solares caería precisamente en esta zona prohibida. El otro está justo en la frontera.
Los autores del segundo artículo buscan posibles explicaciones. Una posibilidad es que fueran primordiales y que hubiesen sido creados antes de las primeras estrellas entre otras hipótesis, pero la más sencilla, y posiblemente mejor explicación es que estos dos agujeros negros (o al menos el más masivo) se hubieran formado, a su vez, a partir de otras colisiones previas. Las galaxias están rodeas por cientos de cúmulos globulares que tiene altas densidad de estrella viejas. Es plausible que, bajo esas densidades, se produzcan numerosas colisiones entre agujeros negros, incluso sucesivas.
GW190521 fue observado en la anterior campaña, en mayo de 2019. En esta campaña, que fue de abril de 2019 a marzo de 2020, se han identificado 52 posibles colisiones. Una de las colisiones se dio entre un agujero negro y un objeto que puede ser o bien el agujero negro más pequeño o bien una estrella de neutrones.
Este tipo de colisiones permite poner a prueba la Relatividad General. Así, para la colisión entre objetos con masas muy distintas, la teoría predice que se deben producir armónicos altos, algo que efectivamente se ha visto por primera vez. Cuanta más subestructura y complejidad tiene el sistema doble que colisiona, más rico es el espectro de radiación gravitatoria que se emite en su colisión. En este caso, por ejemplo, los ejes de giro de los agujeros negros no estaban alineados lo que hacía que sus órbitas sufrieran precesión.
Lo que el amable lector tiene que tener en cuenta no son las palabras tal cual, pues estas pueden enmascarar la realidad. Lo ideal es que este tipo de noticias dispare su imaginación y visualice una colisión entre objetos tan colosales. Un agujero negro de unos 400 km de diámetro y otro de 500 km rotando alrededor centro de masas una velocidad próxima a una décima parte de la velocidad que se acercan hasta fusionarse en menos de una décima de segundo hasta producir un agujero negro aún mayor de unos 840 km. Una colisión que genera una energía equivalente a transformar 8 veces la masa del sol en radiación gravitatoria.
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Fuentes y referencias:
Artículo original 1. [2]
Artículo original 2. [3]
Copia en ArXiv. [4]
Ilustración: LIGO/Caltech/MIT/R. Hurt (IPAC).