El agujero negro que ha vuelto loca a la astrofísica

Hace siete mil millones de años, a una distancia de 17.000 millones de años luz, dos agujeros negros, de 66 y 85 masas solares, se fusionaron dando lugar a un nuevo agujero negro masivo, de alrededor de 142 masas solares. Tanto los dos agujeros progenitores como el resultante de la fusión se sitúan en un rango de masas superior al que se había observado hasta la fecha, y el resultante es el agujero negro más masivo jamás detectado con ondas gravitacionales. La comunidad astrofísica está desconcertada por el descubrimiento, que rompe con lo que se sabía sobre el origen de los agujeros negros.

«No hay una teoría científica estándar que explique la existencia de este agujero negro masivo», certifica a SINC Sascha Husa, investigador en el Institute of Applied Computing & Community Code de la Universitat de les Illes Balears (UIB) y miembro del equipo editorial de los dos artículos publicados en las revistas Physical Review Letters y Astrophysical Journal Letters, donde se acaban de dar a conocer los resultados obtenidos, así como sus implicaciones científicas.

Este hallazgo, desarrollado a partir de una señal de 0,1 segundos de duración, ha sido el resultado de 15 meses de trabajo por parte de dos grandes colaboraciones científicas (Virgo en Italia y LIGO en EE UU) que han contado con centenares de expertos de diversos países, incluyendo participación española. El sistema binario masivo se ha bautizado como GW190521 –ya que el evento de ondas gravitacionales se percibió el 21 de mayo de 2019–.

Que se haya batido el récord de masa detectado por las colaboraciones Virgo y LIGO es un descubrimiento sin precedentes. “Esta detección abre la puerta a descubrir muchos más posibles efectos astrofísicos nuevos”, adelanta Thomas Dent, coordinador del programa de ondas gravitacionales en el Instituto Galego de Física de Altas Enerxías (IGFAE) y miembro de la Colaboración Científica LIGO.

Un aspecto crucial es que el agujero negro remanente es de masa intermedia, y esto se relaciona con uno de los rompecabezas más fascinantes y complejos de la astrofísica y la cosmología: el origen de los agujeros negros supermasivos. Estos monstruos gigantes, de millones a miles de millones de veces más masivos que el Sol y a menudo en el centro de las galaxias, podrían surgir de la fusión de agujeros negros de masa intermedia más pequeños.

Hasta hoy, muy pocos candidatos de este tipo han sido identificados únicamente a través de observaciones electromagnéticas y esta es la primera observación vía ondas gravitacionales. Además, el rango de 100 a 1.000 masas solares ha representado durante muchos años un ‘desierto’ de agujeros negros.

«Tanto el [agujero negro] de 85 como el de 66 son agujeros negros mucho más grandes de los de masa estelar intermedia que conocíamos. En el rango entre 60 y algo más de 100 veces la masa del Sol no está previsto que se pudiera formar un agujero negro de masa estelar», indica a SINC la investigadora Alicia Sintes, de la Universitat de les Illes Balears (UIB) y miembro de LIGO.

«Las ondas gravitacionales están descubriendo objetos o eventos que no nos esperábamos. Debe haber mecanismos que no entendemos y que permitan la generación de agujeros negros con masas solares superiores, como supernovas», deduce Sintes.

Un fenómeno no explicado

Los astrofísicos diferencian los agujeros negros en tres grupos en función de su masa.

Por un lado, se encuentran los agujeros negros supermasivos, con una masa que oscila entre centenas de miles hasta miles de millones de veces la masa del Sol. Este es el caso del agujero negro que se encuentra en el centro de la Vía Láctea, con una masa alrededor de 4 millones de veces la del Sol. El modo en el que se generaron todavía es un misterio.

Por otro lado, se sitúan los agujeros negros de masa intermedia, cuyas masas oscilan entre 100 y 100.000 veces la masa del Sol. Su origen es impreciso. Es el caso del remanente percibido, el GW190521, que ha sido originado a partir de la fusión de otras dos masas masivas.

Por último, se hallan los agujeros negros de masa estelar, cuya masa es de unas pocas decenas de veces la masa solar. Se cree que se formaron a partir del colapso del núcleo de una estrella masiva, mediante explosiones de supernova.

Uno de los grandes misterios del nuevo hallazgo es el origen de los dos agujeros negros progenitores. «Si surgieron del colapso de estrellas, se sitúan en un rango de masas en el cual su presencia se considera, en teoría, imposible», explica Dent. «Por tanto, podría ayudar a mejorar nuestra comprensión sobre las etapas finales de la vida de las estrellas masivas», vaticina. Si logran conocerlo y comprenderlo, podrían averiguar cuál es el origen de los agujeros negros supermasivos, uno de los rompecabezas más complejos de la astrofísica y la cosmología.

Se sabe que los agujeros negros con masas entre 65 y 120 veces la masa del Sol no pueden haber sido formados tras el colapso de una estrella. Mediante un fenómeno conocido como “inestabilidad de pares”, al estallar las estrellas con estas masas, únicamente dejan tras de sí una nube de gas y polvo cósmico, ‘imposibilitando’ la formación de agujeros negros de estas dimensiones.

Por lo tanto, la comunidad astrofísica no esperaría observar ningún agujero negro en este rango de masas solares, entre unas 60 y 120. Ese es exactamente el rango de masas en el que se encuentra la componente más masiva de GW190521 (66 y 85 masas solares).

Es evidente que son necesarias más observaciones de agujeros de este tipo para comprender exactamente qué es lo que ha ocurrido y cómo se explican fenónemos como el descrito. Por el momento, ya existen algunas hipótesis entre la comunidad científica.

«Hay dos explicaciones naturales: una es que esta teoría científica no es correcta, porque estos fenómenos son más complicados de lo que se había pensado, y la otra es que estos agujeros negros se hayan formado a su vez por la fusión de otros más pequeños. Claro, que no es muy probable que dos agujeros se encuentren, a menos que se encontrasen en una nube estelar y la fusión se haya producido en una zona de alta densidad de estrellas», sugiere Husa como posibles explicaciones.

Tito Dal Canton, investigador del Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) en el Irène Joliot-Curie Lab, en Orsay (Francia), y miembro de Virgo, explica que los agujeros negros iniciales rotaban rápidamente en el momento en el que se emitió la señal que han detectado.

“La señal muestra indicios de precesión, una rotación del plano orbital producido por rotaciones de gran magnitud y orientación particular”, indica Dal Canton. “El efecto es débil y no podemos afirmar que esté presente de manera categórica, pero, si fuera cierto, apoyaría la hipótesis de que los agujeros negros progenitores surgen y viven en entornos cósmicos muy inestables y concurridos, como un cúmulo estelar denso o un disco de acreción de un núcleo galáctico activo”, pronostica.

“Ha sido muy complejo interpretar la señal al estar en el límite de nuestra capacidad técnica. Solo tendremos una idea clara de cómo se formó el sistema que la generó tras investigaciones adicionales y con detecciones futuras con las que comparar”, explica Thomas Dent, coordinador del programa de ondas gravitacionales en el IGFAE.

Nota: El artículo se editó después de su publicación el 3 de septiembre de 2020 para incorporar nuevas declaraciones del equipo de investigación.