Hace 7 mil millones de años, cuando aún ni si quiera nuestro Sol se había formado, dos agujeros negros colisionaron en el espacio: el choque ocurrió en un lugar del universo tan alejado y fue tan violento que su señal llegó al planeta Tierra recién el pasado 21 de mayo de 2019 y sorprendió al mundo científico, pues se fue la mayor explosión cósmica jamás detectada por el ser humano.
Los dos agujeros negros que chocaron tenían masas de 66 y 85 veces la masa de nuestro sol, y se unieron para formar otro agujero negro, 142 veces más masivo que nuestro sol.
Para entender un poco mejor la importancia científica de este descubrimiento, debemos comprender antes qué son los agujeros negros, y cómo es posible detectar estas colisiones desde nuestro planeta.
Analicemos entonces estos aspectos.
¿Qué son exactamente los agujeros negros?
En el siglo pasado, la formulación de la Teoría de la Relatividad General, enunciada por Albert Einstein en 1915, mostró que la presencia de masa de magnitudes extraordinarias en algún lugar del universo distorsiona el espacio-tiempo en sus proximidades.
¿Qué significa esto? Pensemos en el ejemplo de un haz de luz de un láser. Al accionar el botón de encendido, vemos que el haz describe una trayectoria perfectamente recta. En realidad, esto no es tan así: cuando hay presencia de masa cercana a la trayectoria del haz de luz, el espacio comienza a curvarse, por lo que en realidad el rayo de luz realiza una trayectoria curva.
Lo que sucede en realidad es que en la Tierra no alcanzamos a apreciar este fenómeno porque la masa de nuestro planeta es demasiado pequeña para distorsionar el espacio en forma apreciable. Sin embargo, en el universo existen zonas en donde se encuentra tanta masa concentrada que el espacio está muy distorsionado. Los agujeros negros son algunas de estas regiones: son objetos en el espacio increíblemente densos, ya que muchísima masa ha sido comprimida en una región extremadamente reducida.
La densidad de un agujero negro es un millón de millones de veces más densa que la partícula elemental que forma parte del núcleo de todos los átomos: el protón. Este número es tan enorme que es muy difícil imaginarla en términos de cosas conocidas. Veamos un ejemplo: si la Tierra se convirtiera en un agujero negro, toda su masa estaría concentrada en una esfera de tan solo 17 milímetros de diámetro. ¿Podemos imaginar esto? Toda la masa de nuestro planeta en el tamaño de una canica igual a las que jugábamos de chicos.
Cuando la luz emitida por otras estrellas o galaxias atraviesa una región donde existe un agujero negro, su trayectoria de línea recta se distorsiona. En particular, los agujeros negros curvan tanto al espacio-tiempo que la luz queda atrapada dentro de la geometría del espacio que los rodea, y no puede salir de él. Es por eso que no podemos detectar directamente a los agujeros negros: si la luz no puede salir de ellos, nosotros no podemos detectarla ni medirla.
Se cree que existen cuatro tipos de agujeros negros:
- Miniatura: por el momento, son agujeros negros que surgen desde modelos teóricos.
- Estelares: podría decirse que son los más comunes, hay miles de estos en todas las galaxias, incluyendo la nuestra. Se forman por el colapso gravitatorio luego de la explosión en forma de supernova de una estrella de aproximadamente más de 30 veces la masa del sol, y se conocen agujeros negros de hasta varias decenas de masas solares.
- Intermedios: como su nombre lo indica, la masa de estos agujeros es “intermedia”, con esto nos referimos a un rango desde aproximadamente 100 masas solares hasta 100.000. No se conoce el proceso por el cual se forman, se teoriza que podrían formarse por el choque y fusión entre otros dos agujeros negros, o por crecimiento de los agujeros negros estelares, o por el colapso directo de estrellas muy masivas, sin pasar por el estadío de supernova. Incluso se consideraba que no existía la posibilidad de formación de agujeros de entre aproximadamente 60 y 133 masas solares, considerado como un rango “prohibido” en la formación de agujeros negros.
- Supermasivos: De millones de masas solares, se encuentran en los centros galácticos, incluyendo el centro de nuestra propia galaxia. Todavía no se conocen los mecanismos por los cuales se formaron.
Es decir, actualmente se tiene certeza de la existencia de agujeros negros estelares y supermasivos, además de conocerse el mecanismo de formación de los estelares, mientras que los agujeros negros miniatura son sólo teóricos y de los intermedios se tiene muy poca evidencia contundente de su existencia.
Hemos dicho que los agujeros negros no emiten luz, como sí lo hacen las estrellas, entonces ¿Cómo los “vemos”? o mejor dicho ¿Cómo los podemos observar?. Los avances científicos y tecnológicos de hoy en día nos brindaron una herramienta muy eficiente para la encontrar agujeros negros en el universo: la detección de ondas gravitacionales.
¿Qué son las ondas gravitacionales?
Así como la luz es radiación electromagnética, lo que significa que está formada por la propagación de ondas de campo eléctrico y magnético, las ondas gravitacionales, también conocidas como ondas de gravedad o radiación gravitacional, es la propagación de campos de gravedad en forma de ondas. La existencia de las ondas gravitacionales fue predicha teóricamente por Einstein en 1916, pero fueron medidas directamente por primera vez recién en 2015, en el observatorio LIGO, según sus siglas en inglés de Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, o en español, Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferometría Láser, y con la participación de un enorme equipo de trabajo internacional.
Si tiramos una piedra en el río, vamos a ver cómo aparecen ondas en la superficie del agua que se propagan alejándose a partir del lugar en que golpeó la piedra. Esta analogía tal vez sirva para entender las ondas gravitacionales, con la diferencia de que en vez de agua, las ondas gravitacionales se propagan en el espacio-tiempo, distorsionándolo, y a la velocidad de la luz, de casi 300.000 km por segundo. Además, no se originan a partir de una piedra, si no a partir de objetos astronómicos muy masivos que estén acelerando: por ejemplo, dos estrellas de neutrones que están orbitando entre sí, o dos agujeros negros o un agujero negro con una estrella de neutrones. Estos objetos se atraen gravitacionalmente, girando uno alrededor del otro, acercándose hacia un punto común en el centro en la forma de un espiral que se va cerrando. Durante todo este proceso se emiten ondas gravitacionales que se llevan parte de la energía orbital, y cuando finalmente los objetos se chocan, parte de la masa se transforma en energía transmitida en forma de más ondas. Es por esto que existe un patrón único de ondas para cada uno de estos eventos. Este movimiento rotatorio de los dos cuerpos puede ocurrir a lo largo de millones de años, pero mientras más se acercan, la gravedad se hace más intensa, por lo que se emiten más ondas que encogen la órbita y aceleran el proceso, haciendo que roten cada vez más rápido: la fase final de fusión de dos agujeros negros tarda menos de 0,2 segundos.
¿Qué se observó recientemente?
Desde la primer detección de ondas gravitacionales en el año 2015, LIGO ha detectado varias fusiones entre agujeros negros y estrellas de neutrones.
Ya estamos en condiciones de entender por qué es tan interesante la detección designada GW190521, registrada el 21 de mayo de 2019.
El análisis de esta señal despertó el interés en el mundo científico por varias cuestiones:
Como dijimos antes, es la mayor explosión detectada hasta el momento.
Los modelos indicarían que se trató de la colisión de dos agujeros negros, uno de 66 masas solares y otro de 85 masas solares, que formaron un nuevo agujero negro de 142 masas solares. En la fusión se liberó una enorme cantidad de energía en forma de ondas gravitacionales, correspondiente a las 9 masas solares perdidas (ya que la masa inicial fue de 66 + 85 = 151 masas solares, mientras que la masa final fue de 142 masas solares)
¿Qué es lo llamativo de estos números? Si revisamos las clasificaciones de agujeros negros, vemos que en primer lugar, el agujero negro resultante, de 142 masas solares, es el primero en su especie detectado. Y como si no fuese suficiente, uno de los originales, de 85 masas solares, cae en el rango prohibido.
Por lo tanto esta observación generó una contundente respuesta: existen los agujeros negros de masa intermedia. ¡Eureka!
Pero a la vez abrió muchos misterios, como no podía ser de otro modo en la ciencia: ¿Cómo se forman estos agujeros negros? ¿Sólo lo hacen por la colisión entre otros dos? Y tal vez la más importante: ¿cómo se formó el agujero negro supuestamente prohibido?
Actualmente se están analizando muchas alternativas, la que más científicos apoyan por el momento es la idea de que el primer agujero negro de 85 masas solares ya se haya formado por la fusión entre otros dos, lo cual convertiría a esta observación en una fusión en dos etapas (la primera en su tipo).
La detección de esta señal ha generado un impresionante desarrollo de trabajo teórico para llegar a la mejor explicación posible. Los científicos aseguran que todas las incógnitas que envuelven a la detección GW190521 sólo podrán ser resueltas cuando se observen más colisiones de este tipo.
Fuentes
Artículo traducido y adaptado de “Astronomers spot the biggest, strangest black hole collision ever found”, por Michael Greshko. National Geographic, Sept. 2, 2020.
https://www.nationalgeographic.com/science/space/universe/black-holes/
https://chandra.harvard.edu/xray_sources/bh_midmass.html
https://www.ligo.caltech.edu/page/gravitational-waves
https://www.ligo.org/science/Publication-GW190521/
https://astroaficion.com/2019/09/02/evolucion-estelar-estrellas-masivas/
https://www.ligo.caltech.edu/page/ligos-ifo
