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Astrofísica

De todos los tamaños

Las ondas gravitacionales refuerzan la hipótesis de la existencia de agujeros negros intermedios, de entre 100 y 100 mil masas solares

Representación artística de seis galaxias (los puntos luminosos) en una nube de gas alrededor del agujero negro supermasivo de un cuásar

ESO/L. Calçada

A principios de septiembre, los observatorios Ligo, en Estados Unidos, y Virgo, en Italia, anunciaron la detección de ondas gravitacionales más intensa desde que ese tipo de emisiones fuera registrada por primera vez, en septiembre de 2015. La fuente de esta nueva y potente señal, registrada el 21 de mayo de 2019, fue la fusión de dos agujeros negros, uno de 85 y otro de 66 masas solares. La unificación de esos dos objetos extremadamente densos y compactos se produjo cuando el Universo tenía aproximadamente la mitad de su edad actual de unos 13.800 millones de años y generó un agujero negro mucho mayor, de 142 masas solares. Durante ese evento, la energía liberada bajo la forma de ondas gravitacionales –perturbaciones en la curvatura del espacio-tiempo– previstas por Albert Einstein (1879-1955), fue del orden de unas 8 masas solares. Los agujeros negros poseen un campo gravitatorio descomunal, que no deja que nada escape de su interior, ni siquiera la luz, una particularidad que dificulta su registro.

La señal sonora de la fusión de esos agujeros negros, denominada GW190521, fue captada por los dos detectores instalados en suelo estadounidense y su homólogo europeo, que se encuentra en la región de Toscana, en Italia. “A diferencia de otras fusiones de agujeros negros que hemos detectado con regularidad, que reverberaban como un chillido cada vez más agudo, el GW190521 duró solamente una décima de segundo y fue más parecido a un estrépito”, dijo, en una divulgación informativa, el astrofísico estadounidense Nelson Christensen, jefe del laboratorio Artemis del Observatorio de la Costa Azul en Niza, Francia, uno de los coordinadores del equipo que redactó dos artículos científicos sobre ese hallazgo. “Entonces nos dimos cuenta que estábamos lidiando con una fuente [de ondas gravitacionales] excepcionalmente masiva”.

Según el tipo de vibración generada por las ondas gravitacionales, los científicos deducen las características del evento que las produjo. “En las fusiones de agujeros negros, hemos podido estimar la masa de los objetos que se unieron y también la del astro resultante”, dice el astrofísico Odylio Aguiar, del Instituto Nacional de Investigaciones Espaciales (Inpe) de Brasil, quien coordina la participación de los brasileños en el consorcio Ligo. La señal GW190521 es el indicio más sólido de la existencia de los agujeros negros de tamaño intermedio, con una masa comprendida entre 100 y 100 mil soles. Anteriormente, solo se conocían agujeros negros muy pequeños o sumamente masivos.

Los agujeros negros supermasivos, en el centro de las galaxias, tienen entre 100 mil y miles de millones de masas solares

Todavía no se sabe si existen sitios específicos del Universo que tienden a cobijar agujeros negros de tamaño medio o si ellos se hallarían dispersos por regiones diversas de manera aleatoria. “Podría ser que se formaran en la periferia de las galaxias, o quizá en el centro de las galaxias enanas”, comenta el astrofísico holandés Roderik Overzier, del Observatorio nacional (ON) de Río de Janeiro. “O incluso en cúmulos globulares [concentraciones con formato esférico de hasta 1 millón de estrellas muy antiguas, surgidas hace más de 10 mil millones de años]”. Desde la década de 2000, los astrofísicos sospechan que estos tipos de agujeros negros podrían haberse formado en el Cosmos, empero, sin disponer de pruebas irrefutables de su existencia.

Hasta que se concretaron los registros del Ligo-Virgo, solo había evidencias de la presencia en el Universo de agujeros negros en dos escalas dimensionales: los estelares, de hasta 65 masas solares, que son los remanentes de la muerte de ciertas estrellas, y los supermasivos, con entre 100 mil y miles de millones de masas solares, presentes en el centro de la mayoría de las galaxias del Universo, si no es que en todas. “El proceso que redundaría en la formación de agujeros negros de tamaño intermedio aún es una incógnita”, comenta el astrofísico Rodrigo Nemmen, del Instituto de Astronomía, Geofísica y Ciencias Atmosféricas de la Universidad de São Paulo (IAG-USP). “De hecho, solo sabemos cómo se originan los agujeros negros estelares”.

Algunas estrellas llegan al final de su vida al cabo de una violenta explosión, a la cual se la conoce como supernova. Este tipo de evento libera enormes cantidades de materia y radiación. Si los despojos de la supernova tienen una masa colapsada de entre 1,4 y 2 masas solares, dan origen a una estrella de neutrones, un cuerpo celeste muy denso y compacto. Cuando el núcleo remanente de la estrella que explotó es superior a 3 masas solares, la materia sigue colapsando (acumulándose en un área pequeña), generando un objeto aún más denso y compacto: un agujero negro. Por lo general, los agujeros negros de menor dimensión poseen una estrella compañera de cuya materia se alimentan. Este proceso de contracción gravitatoria de una única estrella, según los cálculos de los físicos, puede generar agujeros negros de hasta 65 masas solares. Para explicar la existencia de aquellos que superan ese límite hay varias hipótesis: podrían formarse mediante la captura progresiva de gas y polvo proveniente del espacio; por la fusión de agujeros negros menores; o incluso podrían ser producto de la fusión de dos o más estrellas muy masivas que colapsaron.

Mark Myers/OzGrav Representación artística de los dos agujeros negros con decenas de masas solares cuya fusión generó las ondas gravitacionales captadas en 2019 por los detectores Ligo-VirgoMark Myers/OzGrav

Pese a la enorme diferencia de masa entre los agujeros negros estelares y los supermasivos, esos objetos, independientemente de su talla, presentan las mismas características. Los astrofísicos los describen como regiones del espacio en las que una cantidad de materia descomunal está comprimida en un área minúscula. Esta particularidad genera un campo gravitatorio tan poderoso que toda la materia es absorbida hacia su interior cuando traspone cierto límite de proximidad en torno al agujero negro, el denominado horizonte de sucesos (o de eventos). La materia capturada se concentra en un punto central de esa región, la singularidad, tal como se la llama, de densidad infinita, donde no tienen validez las leyes conocidas de la física.

Por su propia naturaleza, los agujeros negros no emiten ninguna forma de radiación, excepto quizá la que se denomina radiación de Hawking, un fenómeno hipotético postulado por el famoso físico británico fallecido hace poco. La única forma segura de detectarlos es por medios indirectos, mediante la observación de las perturbaciones que su presencia y el enorme campo gravitatorio causan en su entorno. Algunas anomalías pueden indicar la existencia de esos gigantescos succionadores de materia. Una de ellas es la fuerte emisión de ciertos tipos de radiación, tales como rayos X y las ondas de radio, en regiones del espacio donde aparentemente no existe nada. Esa producción de energía surge del contacto del borde del denominado disco de acreción de la materia con el horizonte de sucesos, la frontera que delimita el área de la cual la materia no puede escapar del campo gravitatorio del agujero negro. El año pasado, el proyecto Telescopio Horizonte de Eventos (EHT, por su sigla en inglés), que utiliza los datos recolectados por ocho observatorios radioastronómicos, registró las imágenes más notables de lo que serían las vecindades de un agujero negro supermasivo, con 6.500 millones de masas solares: un círculo de colores levemente desfasado en torno a una región obscura en el centro de la galaxia M87. No se trata del agujero negro en sí mismo, sino más bien de su entorno o sombra.

ESO/M. Kornmesser Ilustración que reconstruye el recorrido de la estrella S2 en torno al agujero negro del centro de la Vía LácteaESO/M. Kornmesser

Otra pista de la presencia de agujeros negros es el registro de órbitas anómalas y extremadamente aceleradas de una estrella o de un conjunto de estrellas alrededor de un punto supuestamente vacío. La observación ininterrumpida de este segundo fenómeno en estrellas situadas alrededor del centro de la Vía Láctea, como es el caso de la identificada como S2, probó que en ese sitio hay un agujero negro supermasivo, con unos 4 mil millones de masas solares, denominado Sagitario A*. Ese logro les valió el Nobel de Física de 2020 al alemán Reinhard Genzel, del Instituto Max Planck de Física Extraterrestre, y a la estadounidense Andrea Ghez, de la Universidad de California en Los Ángeles (Ucla). El tercer galardonado con el premio de este año fue el teórico británico Roger Penrose, de la Universidad de Oxford, en el Reino Unido, por sus estudios que demuestran la compatibilidad de la existencia de los agujeros negros con la teoría de la relatividad general de Einstein (lea en la sección Notas, en la página 15 de esta misma edición). En el interior de los cuásares, objetos extremadamente luminosos con núcleos activos, también hay evidencias de la existencia de agujeros negros supermasivos.

Desde 2015, cuando comenzaron a operar los detectores del Ligo, el registro de las ondas gravitacionales como las que emite la fuente GW190521, es otra forma indirecta de recabar evidencias de la existencia de agujeros negros. Hasta ahora, los radiotelescopios de la cooperación Ligo-Virgo han detectado 15 emisiones de ondas gravitacionales, de las cuales 12 involucraban la fusión de un par de agujeros negros, 2 fueron producidas por una unión de estrellas de neutrones y 1 fue por la fusión de un agujero negro con un objeto compacto aún no identificado. Algunas fusiones llaman la atención por la diferencia significativa de masa de los cuerpos involucrados (por lo general, los objetos que intervienen en estos eventos presentan tamaños similares), como en el caso de “El Gordo y el Flaco”, el mote que se le dio a la unión de dos agujeros negros bastante asimétricos, uno de 8 y otro de 30 masas solares, registrada el año pasado por los detectores de ondas gravitacionales. Un evento aún más misterioso fue la fusión de un agujero negro de 23 masas solares con un objeto denso y compacto, de alrededor de 2,6 masas solares, que los astrónomos no han podido determinar si se trata de un pequeño agujero negro o de una estrella de neutrones.

Nasa/ESA/D. Coe, J. Anderson/R. Van Der Marel (STSCI) Una simulación por computadora revela de qué manera la gravedad de un agujero negro supermasivo distorsiona el espacio a su alrededor como un espejo de un parque de diversionesNasa/ESA/D. Coe, J. Anderson/R. Van Der Marel (STSCI)

El descubrimiento de otros agujeros negros supermasivos y otros más de tamaño intermedio reaviva un interrogante cósmico del mismo carácter que el del huevo y la gallina: ¿las galaxias se formaron antes que estos grandes succionadores de materia, como apuntan la mayoría de las observaciones, o es posible que hayan surgido en forma simultánea o después? La galaxia más antigua que se conoce, GN-z11, habría surgido entre 300 y 400 millones de años después del Big Bang, la explosión inicial que habría dado origen al Universo. Por ahora, el agujero negro más antiguo que se ha identificado se habría formado 690 millones de años después del Big Bang, está ubicado en el centro del cuásar Ulas J134208.10 y su masa equivale a la de 800 millones de soles. “Los cuásares y las galaxias surgieron casi simultáneamente en los comienzos del Universo”, comenta la astrofísica Thaisa Storchi Bergmann, de la Universidad Federal de Rio Grande do Sul (UFRGS), estudiosa de los agujeros negros supermasivos. “Acaso los denominados intermedios sean la semilla de los supermasivos. Pero esto solamente es una hipótesis”.

Las novedades en esta área serán cada vez más frecuentes. En el próximo ciclo de observación de ondas gravitacionales, cuyo inicio está previsto para mediados de 2022, la cooperación Ligo-Virgo incorporará al detector japonés Kagra, que comenzó a funcionar al principio de este año. “El Kagra nos permitirá observar tres eventos por semana que podrían ser ondas gravitacionales”, compara Aguiar. “En nuestro último período de funcionamiento, observamos en promedio un evento por semana”. Para principios de la década próxima está previsto el lanzamiento de un observatorio espacial de interferometría –el proyecto Lisa–, de la Agencia Espacial Europea (ESA), que será capaz de registrar las ondas gravitacionales provenientes de la fusión de agujeros negros intermedios de mayor porte como así también supermasivos, eventos aún más intensos que los que logran registrar desde la Tierra los detectores Ligo, Virgo y Kagra.

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