Un equipo internacional descubre el agujero negro "más masivo" detectado con ondas gravitacionales

VALÈNCIA (EP). Un grupo internacional de especialistas, con participación de la Universitat de València, y agrupados en los proyectos LIGO y Virgo, han revelado nuevas e inesperadas población de agujeros negros, con la detección de un sistema binario "extraordinariamente masivo" fusionándose: dos agujeros negros de 66 y 85 masas solares, que generaron un agujero negro final de alrededor de 142 masas solares.

Según ha informado la institución académica, este agujero negro remanente es el "más masivo jamás detectado con ondas gravitacionales". Se sitúa en un rango de masas en el que un agujero negro no ha sido observado nunca antes, ni a través de ondas gravitacionales ni con observaciones electromagnéticas, y podría ayudar a explicar la formación de agujeros negros supermasivos.

Además, los dos agujeros negros iniciales, si surgieron del colapso de estrellas, se sitúan en un rango de masas en el cual su presencia "se considera, en teoría, imposible, y podría por tanto ayudar a mejorar la comprensión sobre las etapas finales de la vida de las estrellas masivas".

La comunidad científica de las colaboraciones internacionales tras el detector Advanced Virgo en el Observatorio Gravitacional Europeo (EGO, de sus siglas en inglés), en Italia, y los dos detectores Advanced LIGO, en EEUU, ha sido quienes han hecho el anuncio a través de dos artículos publicados en 'Physical Review Letters' y 'Astrophysical Journal Letters'.

El evento de ondas gravitacionales fue detectado por los tres interferómetros de la red global el 21 de mayo de 2019. Se estima que la fuente de la señal, catalogada como GW190521, se encuentra a unos 17 mil millones de años luz de la Tierra.

Según la UV, "batir el récord de masa de las detecciones en los períodos de observación de Virgo y LIGO es sólo una de las varias características especiales que hacen de esta detección una fusión excepcional y un descubrimiento sin precedentes". Un "aspecto crucial, que particularmente llamó la atención de la comunidad astrofísica, es que el remanente pertenece a la clase de los llamados 'agujeros negros de masa intermedia' (desde unas cien hasta unas cien mil masas solares)".

El interés en esta población de agujeros negros está relacionado 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 a agujeros negros de masa intermedia han sido identificados únicamente a través de observaciones electromagnéticas y el remanente de GW190521 es la primera observación de un agujero negro de masa intermedia vía ondas gravitacionales.

"Desierto"

Es de un interés "aún mayor" el hecho de que esta detección se encuentre en el rango desde 100 a 1.000 masas solares, que ha representado durante muchos años una especie de "desierto de agujeros negros", debido a la escasez de eventos candidatos en este rango.

"Esta detección abre la puerta a descubrir muchos más posibles efectos astrofísicos nuevos", comenta 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. "Ha sido muy complejo interpretar la señal al estar en el límite de nuestra capacidad técnica. Sólo tendremos una idea clara de cómo se formó el sistema que la generó tras investigaciones adicionales y con detecciones futuras con las que comparar", ha añadido.

"Estoy muy orgullosa de la gran implicación de los grupos LIGO-Virgo españoles con este nuevo evento, con toda la actividad desarrollada a lo largo de muchos meses, incluyendo tareas de gran responsabilidad, y las expectativas que este nuevo descubrimiento está generando entre los científicos de campos afines", señala Alicia Sintes, de la Universitat de les Illes Balears (UIB) y miembro de la Colaboración Científica LIGO.

Las componentes y la dinámica del sistema binario coalescente GW190521 ofrece "extraordinarias perspectivas astrofísicas". El más masivo de los dos agujeros negros fusionados es mayor que cualquier agujero negro observado hasta ahora por LIGO y Virgo e incluso el más ligero de los agujeros negros figura entre los más masivos observados.

En particular, las masas de los agujeros negros progenitores "desafían los modelos astrofísicos que describen el colapso de las estrellas más masivas, al final de sus vidas, a agujeros negros". Según estos modelos, las estrellas más masivas se desestabilizan completamente en las explosiones de supernova, debido a un proceso llamado "inestabilidad de pares", dejando a su paso únicamente gas y polvo cósmico.

Por tanto, la comunidad astrofísica no esperaría observar ningún agujero negro en este rango de masas entre unas 60 y 120 masas solares: exactamente el rango de masas en el que se encuentra la componente más masiva de GW190521. Por esto, esta detección abre nuevas perspectivas en el estudio de las estrellas masivas y los mecanismos de las supernovas.

De hecho, la detección de GW190521 por parte de Virgo y LIGO subraya la existencia de poblaciones de agujeros negros que no han sido observadas nunca antes o que son inesperadas y, en ello, plantea nuevas e intrigantes preguntas sobre los mecanismos de formación. A pesar de la duración inusualmente corta de la señal, que limita la capacidad para inferir las propiedades astrofísicas de la fuente, los análisis más avanzados y los modelos disponibles actualmente sugieren que los agujeros negros iniciales tenían rotaciones significativas, es decir, rotaban rápidamente.

"Este evento realmente nos ha llevado hasta nuestros límites: el análisis completo de este evento y su exhaustiva revisión por las colaboraciones ha necesitado de un gran número de investigadores durante más de 15 meses", señala Sascha Husa (UIB).

Con respecto a las detecciones anteriores de ondas gravitacionales, la señal GW190521 observada tiene una duración temporal muy corta y es mucho más difícil de analizar. A causa de la naturaleza más compleja de la señal, otras fuentes más exóticas han sido también consideradas, y estas posibilidades están descritas en una publicación complementaria. Sin embargo, son menos probables frente a la posibilidad de que la fuente sea una fusión de un sistema binario de agujeros negros.

"Gorjeo previo"

"Debido a la baja frecuencia de la señal GW190521, el "gorjeo" previo a la colisión, característico de las detecciones anteriores, no es tan visible en los detectores", añade José Antonio Font, de la Universitat de València (UV) y miembro de la Colaboración Virgo. "El trabajo conjunto realizado por Nicolás Sanchis Gual y Alejandro Torres Forné, del grupo Virgo en Valencia, y Juan Calderón Bustillo, apoyado en simulaciones numéricas e inferencia estadística, revela que podría haber cierta confusión en cuanto al tipo de sistema que ha producido dicha señal", ha indicado.

Cinco grupos en España están contribuyendo a la astronomía de ondas gravitacionales de LIGO-Virgo, en áreas que van desde el modelado teórico de las fuentes astrofísicas y el análisis de los datos hasta la mejora de la sensibilidad del detector para los períodos de observación actuales y futuros.

Dos grupos, en la Universitat de les Illes Balears (UIB) y el Instituto Galego de Física de Altas Enerxías (IGFAE) de la Universidad de Santiago de Compostela (USC), forman parte de la Colaboración Científica LIGO; mientras que la UV, el Instituto de Ciencias del Cosmos de la Universidad de Barcelona (ICCUB) y el Institut de Física d'Altes Energies (IFAE) de Barcelona son miembros de Virgo.