- Un par de fusiones de agujeros negros muy especiales, detectadas con solo un mes de diferencia a finales de 2024, están mejorando la forma en que los científicos comprenden la naturaleza y la evolución de las colisiones en el espacio profundo más violentas de nuestro universo. Algunas características de estas fusiones apuntan hacia la posibilidad de agujeros negros de “segunda generación”, es decir, agujeros negros que son el resultado de fusiones anteriores, probablemente formados en entornos cósmicos muy densos y poblados, como cúmulos de estrellas y agujeros negros, donde es más probable que los agujeros negros choquen entre sí y se fusionen una y otra vez.
En un nuevo artículo publicado en The Astrophysical Journal Letters, la colaboración internacional LIGO-Virgo-KAGRA informa sobre la detección de dos eventos de ondas gravitacionales en octubre y noviembre del año pasado con espines inusuales de agujeros negros. Esta observación añade una nueva pieza importante a nuestra comprensión de los fenómenos más esquivos del universo. Las ondas gravitacionales son «ondas» en el espacio-tiempo que resultan de eventos cataclísmicos en el espacio profundo, y las ondas más fuertes se producen por la colisión de agujeros negros. Utilizando sofisticadas técnicas algorítmicas y modelos matemáticos, los investigadores y las investigadoras son capaces de reconstruir muchas características físicas de los agujeros negros detectados a partir del análisis de señales gravitacionales, como sus masas y la distancia del evento a la Tierra, e incluso la velocidad y dirección de su rotación alrededor de su eje, llamada espín.
La primera fusión detectada el 11 de octubre de 2024 (GW241011) se produjo a unos 700 millones de años luz de distancia y fue el resultado de la colisión de dos agujeros negros con un peso de entre 17 y 7 veces la masa de nuestro Sol. Se midió que el mayor de los dos agujeros negros en GW241011 era uno de los agujeros negros con rotación más rápida observados hasta la fecha. Casi un mes después, se detectó GW241110 el 10 de noviembre de 2024, procedente de unos 2.400 millones de años luz de distancia e implicando la fusión de agujeros negros de aproximadamente 16 y 8 veces la masa de nuestro Sol. Si bien la mayoría de los agujeros negros observados giran en la misma dirección que su órbita, se observó que el agujero negro primario de GW241110 giraba en una dirección opuesta a su órbita, una novedad de su tipo.
«Cada nueva detección proporciona información importante sobre el universo, recordándonos que cada fusión observada es a la vez un descubrimiento astrofísico pero también un laboratorio inmejorable para investigar las leyes fundamentales de la física», dice el coautor del artículo Carl-Johan Haster, profesor de astrofísica de la Universidad de Nevada, Las Vegas (UNLV). «Binarias como estas se habían predicho a partir de observaciones anteriores, pero esta es la primera evidencia directa de su existencia».
Curiosamente, ambas detecciones apuntan hacia la posibilidad de agujeros negros de “segunda generación”. »GW241011 y GW241110 se encuentran entre los eventos más novedosos entre los cientos que ha observado la red LIGO-Virgo-KAGRA», dice Stephen Fairhurst, profesor de la Universidad de Cardiff y portavoz de la Colaboración Científica LIGO. «Dado que ambos eventos tienen un agujero negro que es significativamente más masivo que el otro y gira rápidamente, proporcionan evidencia tentadora de que estos agujeros negros se formaron a partir de fusiones anteriores de agujeros negros».
Los científicos señalan ciertas pistas, incluida la diferencia de tamaño entre los agujeros negros en cada fusión (el más grande era casi el doble del tamaño del más pequeño) y las orientaciones de giro del mayor de los agujeros negros en cada evento. Una explicación natural para estas peculiaridades es que los agujeros negros son el resultado de coalescencias anteriores. Este proceso, llamado fusión jerárquica, sugiere que estos sistemas se formaron en entornos densos, en regiones como cúmulos de estrellas y agujeros negros, donde es más probable que los agujeros negros choquen entre sí y se fusionen una y otra vez.
«Estas detecciones resaltan las extraordinarias capacidades de nuestros observatorios globales de ondas gravitacionales», dice Gianluca Gemme, portavoz de la Colaboración Virgo. «Las inusuales configuraciones de espín observadas en GW241011 y GW241110 no solo desafían nuestra comprensión de la formación de agujeros negros, sino que también ofrecen evidencia convincente de fusiones jerárquicas en ambientes cósmicos densos: nos enseñan que algunos agujeros negros existen no solo como socios aislados sino probablemente como miembros de una multitud densa y dinámica. Estos descubrimientos subrayan la importancia de la colaboración internacional para revelar los fenómenos más esquivos del universo».
Descubriendo propiedades ocultas de las fusiones de agujeros negros
Las ondas gravitacionales fueron predichas por primera vez por Albert Einstein como parte de su teoría general de la relatividad en 1916, pero su presencia (aunque probada indirectamente en la década de 1970) no fue observada directamente por los científicos y las científicas hasta hace apenas 10 años, cuando las colaboraciones científicas LIGO y Virgo anunciaron la detección de las ondas como resultado de la fusión de agujeros negros. Hoy en día, LIGO-Virgo-KAGRA es una red mundial de detectores avanzados de ondas gravitacionales y está cerca del final de su cuarto periodo de observación, O4. El periodo de observación actual comenzó a finales de mayo de 2023 y se espera que continúe hasta mediados de noviembre de este año. Hasta la fecha, se han observado aproximadamente 300 fusiones de agujeros negros a través de ondas gravitacionales, incluidos los candidatos identificados en el periodo O4 en curso que están esperando la validación final.
Además, en el caso de la observación anunciada hoy, la precisión con la que se midió GW241011 también permitió probar predicciones clave de la teoría de la relatividad general de Einstein en condiciones extremas.
En realidad, este evento se puede comparar con las predicciones de la teoría de Einstein y la solución del matemático Roy Kerr para los agujeros negros en rotación. La rápida rotación del agujero negro lo deforma ligeramente, dejando una huella característica en las ondas gravitacionales que emite. Al analizar GW241011, el equipo de investigación encontró una excelente concordancia con la solución de Kerr y verificó, una vez más, la predicción de Einstein, pero con una precisión sin precedentes. Además, debido a que las masas de los agujeros negros individuales difieren significativamente, la señal de la onda gravitacional contiene el «zumbido» de un armónico superior, similar a los armónicos de los instrumentos musicales, vistos solo por tercera vez en GW241011. Uno de estos armónicos fue observado con magnífica claridad y confirma otra predicción de la teoría de Einstein.
«Este descubrimiento también significa que somos más sensibles que nunca a cualquier nueva física que pueda estar más allá de la teoría de Einstein», dice Haster.
Búsqueda avanzada de partículas elementales
Los agujeros negros que giran rápidamente como los observados en este estudio tienen otra aplicación más: la física de partículas. Los científicos y las científicas pueden utilizarlos para comprobar si existen determinadas partículas elementales ligeras y cuán masivas. Estas partículas, llamadas bosones ultraligeros, son predichas por algunas teorías que van más allá del Modelo Estándar de física de partículas, que describe y clasifica todas las partículas elementales conocidas. Si existen bosones ultraligeros, pueden extraer energía rotacional de los agujeros negros. Cuánta energía se extrae y cuánto se ralentiza la rotación de los agujeros negros con el tiempo depende de la masa de estas partículas, que aún se desconoce. La observación de que el enorme agujero negro en el sistema binario que emitió GW241011 continúa girando rápidamente incluso millones o miles de millones de años después de su formación descarta una amplia gama de masas de bosones ultraligeros.
«La detección e inspección de estos dos eventos demuestran lo importante que es operar nuestros detectores en sinergia y esforzarnos por mejorar sus sensibilidades», dice Francesco Pannarale, profesor de la Sapienza – Universidad de Roma y co-presidente de la División de Ciencias Observacionales de las Colaboraciones LIGO-Virgo-KAGRA. «Los instrumentos LIGO y Virgo nos enseñaron aún más sobre cómo se pueden formar sistemas binarios de agujeros negros en nuestro Universo», añade, «así como sobre la física fundamental que los regula en su esencia misma. Al actualizar nuestros instrumentos, podremos profundizar en estos y otros aspectos con una mayor precisión de nuestras mediciones».
Detalles de la publicación
La colaboración LIGO-Virgo-KAGRA
LIGO está financiado por la NSF y operado por Caltech y MIT, quienes concibieron y construyeron el proyecto. El apoyo financiero para el proyecto LIGO avanzado estuvo dirigido por NSF y Alemania (Sociedad Max Planck), el Reino Unido (Consejo de Instalaciones de Ciencia y Tecnología) y Australia (Consejo Australiano de Investigación) asumieron importantes compromisos y contribuciones al proyecto. Más de 1.600 científicos de todo el mundo participan en el esfuerzo a través de la Colaboración Científica LIGO, que incluye la Colaboración GEO. Las instituciones miembros adicionales se enumeran en https://my.ligo.org/census.php.
La Colaboración Virgo está compuesta actualmente por aproximadamente 1000 miembros de más de 150 instituciones en 15 países diferentes (principalmente europeos). El Observatorio Gravitacional Europeo (EGO) alberga el detector Virgo cerca de Pisa en Italia y está financiado por el Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) en Francia, el Instituto Nacional de Física Nuclear (INFN) en Italia, el Instituto Nacional de Física Subatómica (Nikhef) en los Países Bajos, la Fundación de Investigación – Flandes (FWO) y el Fondo Belga para la Investigación Científica (F.R.S.–FNRS) en Bélgica. Hay más información disponible en el sitio web de Virgo en https://www.virgo-gw.eu.
KAGRA es un interferómetro láser con un brazo de 3 km de longitud en Kamioka, Gifu, Japón. El instituto anfitrión es el Instituto de Investigación de Rayos Cósmicos (ICRR) de la Universidad de Tokio, y el proyecto está co-patrocinado por el Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ) y la Organización de Investigación de Aceleradores de Alta Energía (KEK). La colaboración KAGRA está compuesta por más de 400 miembros de 128 institutos en 17 países/regiones. La información de KAGRA para el público general está disponible en https://gwcenter.icrr.u-tokyo.ac.jp/en/ . Se puede acceder a recursos para investigadores en http://gwwiki.icrr.u-tokyo.ac.jp/JGWwiki/KAGRA.