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ASTROFÍSICA

Una colisión reveladora

Ondas gravitacionales emitidas por la fusión de agujeros negros confirman la existencia de una nueva población de esos objetos celestes

Aurore Simonnet – Sonoma State University/ Caltech/ MIT/ LIGO Ondas gravitacionales emitidas por la fusión de agujeros negros confirman la existencia de una nueva población de esos objetos celestesAurore Simonnet – Sonoma State University/ Caltech/ MIT/ LIGO

Las galaxias pueden contener una población pequeña y dispersa de agujeros negros cuya masa es bastante superior a la de los que se conocía hasta hace poco tiempo atrás. Estos agujeros negros más voluminosos, con una masa algunas decenas de veces superior a la del Sol, parecen formarse a partir de eventos catastróficos y raros: el choque  y la fusión de dos agujeros negros con menor masa, detectados por primera vez al final de 2015 por el instrumental del Observatorio Interferométrico de Ondas Gravitatorias (Ligo). En un artículo publicado el 1º de junio en la revista Physical Review Letters, los científicos del Ligo describen el tercer evento registrado de ese tipo, que también es el más distante.

El choque y la fusión de agujeros negros presentados ahora ocurrieron a 3 mil millones de años luz de la Tierra. Esto es el resultado de la colisión de un agujero negro de 31,2 masas solares con otro de 19,4. De ese encuentro surgió un agujero negro con una masa 48,7 veces superior a la del Sol. En la fracción de segundo que duró ese evento, se liberó una cantidad colosal de energía –equivalente a la almacenada en la masa de dos estrellas como el Sol– bajo la forma de ondas gravitacionales. Estas sutiles deformaciones en el espacio-tiempo, previstas por la teoría de la relatividad general que formulara Albert Einstein en 1915, se propagan en el vacío a la velocidad de la luz y viajaron durante 3 mil millones de años hasta aquí. El 4 de enero de este año –exactamente a las 10 horas, 11 minutos y 58 segundos en el horario universal, que en horario de Brasilia era dos horas más temprano–, los dos detectores del Ligo, ubicados a 3 mil kilómetros de distancia uno del otro en Estados Unidos, registraron casi en forma simultánea el paso de esa onda gravitatoria por el planeta.

La detección actual se produjo pocas semanas después del inicio de la segunda campaña de recolección de datos del Ligo, una vez que se perfeccionó a sus detectores para dotarlos de mayor sensibilidad. Previamente se habían confirmado otras dos detecciones directas de ondas gravitacionales: la primera en el mes de septiembre de 2015, como resultado del surgimiento de un agujero negro de 62 masas solares a 1.300 millones de años luz de la Tierra, y la segunda, en diciembre de aquél año, de un agujero negro de 21 masas solares que se formó un poco más lejos, a 1.400 millones de años luz de aquí (lea en bit.ly/GravOndas y Pesquisa FAPESP, edición nº 241).

“Disponemos de otra confirmación de la existencia de agujeros negros de origen estelar con masa superior a 20 masas solares”, informó el físico David Shoemaker, del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT), en el comunicado a la prensa que anunció la tercera detección de una onda gravitatoria. Shoemake fue elegido recientemente como portavoz de la colaboración científica Ligo, que agrupa a casi mil científicos de diversos países, Brasil inclusive. “Se trata de objetos que eran desconocidos hasta que los detectó el Ligo”.

Origen incierto
Antes sólo había noticias de agujeros negros estelares que eran resultado de la debacle explosiva de estrellas con menos de 20 masas solares. “Eran objetos completamente diferentes, situados en nuestra propia galaxia, la Vía Láctea, cuyo origen no había sido la fusión de sistemas binarios de agujeros negros”, afirma el físico italiano Riccardo Sturani, docente de la Universidad Federal de Rio Grande do Norte, quien al igual que el físico Odylio Aguiar y su equipo en el Instituto Nacional de Investigaciones Espaciales (Inpe), forma parte de la colaboración Ligo.

Sturani estudia la dinámica de sistemas binarios de agujeros negros y las ondas gravitatorias que producen al fusionarse. “Los agujeros negros detectados por el Ligo se originarían por la explosión de estrellas con masa muy elevada”, estima el físico italiano. “Pero aún no sabemos si en el caso de esas duplas, los agujeros negros surgen de la explosión de estrellas que se formaron y siempre existieron cerca o bien si ellos aparecieron en forma separada y después fueron acercándose, capturados por la atracción gravitatoria de uno y otro”.

Los resultados divulgados al comienzo del mes de junio son incrementales y menos impactantes que los publicados anteriormente por la colaboración Ligo. De cualquier manera, esbozan pistas acerca de lo que pudo haber ocurrido con el dúo de agujeros negros detectado este año.

La forma de las ondas gravitacionales emitidas durante la fusión sugiere que los mismos no giraban en el mismo sentido antes de la colisión, lo cual sería de esperarse si se hubiesen formado juntos. Por ese motivo, se sospecha que habrían surgido en forma independiente en el interior de un gran conglomerado de estrellas y recién después se unificaron. “Estamos comenzando a recabar estadísticas de sistemas de agujeros negros binarios”, declaró a la prensa el físico Keita Kawabe, del Instituto de Tecnología de California (Caltech). Para Sturani, todavía se necesita detectar otros 20 ó 30 eventos como esos para poder decir, con alguna certeza estadística, cuál de los dos modelos describe mejor lo que ocurre en la naturaleza.

“Las tres detecciones de ondas gravitacionales registradas por el Ligo comienzan a revelar que existe una población de esos objetos”, comenta el físico Rodrigo Nemmen, del Instituto de Astronomía, Geofísica y Ciencias Atmosféricas de la Universidad de São Paulo (IAG-USP), quien no participa en el Ligo. Nemmen estudia el comportamiento de los agujeros negros estelares y afirma que los resultados del Ligo deberían conducir a una revisión de los modelos de evolución estelar. “Modificaciones importantes del conocimiento, tales como las que promovieron Galileo y Copérnico, fueron consecuencia de avances en los dispositivos instrumentales”, recuerda Nemmen. “El Ligo hace lo mismo al permitir el estudio de esos fenómenos extremadamente energéticos que no emiten luz y nos revelan algo que no esperábamos”.

Proyectos
1. Estudio de las ondas gravitacionales (nº 13/04538-5); Modalidad  Programa Jóvenes Investigadores; Investigador responsable  Riccardo Sturani (IFT-Unesp); Inversión R$ 256.541
2. Gravitational wave astronomy – FAPESP-MIT (nº 14/50727-7); Modalidad Ayuda a la Investigación – Regular; Investigador responsable Riccardo Sturani (IFT-Unesp); Inversión R$ 29.715
3. Nueva física en el espacio: Ondas gravitatorias (nº 06/56041-3); Modalidad Proyecto Temático; Investigador responsable Odylio Denys de Aguiar (Inpe); Inversión R$ 1.019.874,01

Artículo científico
ABBOTT, B. P. et al. GW170104: Observation of a 50-solar-mass binary black hole coalescence at redshift 0.2. Physical Review Letters. 1º jun. 2017.

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