⚫ Observación de "agujeros negros de segunda generación"

La detección de dos fusiones singulares de agujeros negros, con apenas un mes de diferencia a finales de 2024, mejora nuestra comprensión de la naturaleza y evolución de las colisiones más violentas del Universo. Algunas características de estas fusiones sugieren la posibilidad de "agujeros negros de segunda generación", que serían el resultado de coalescencias anteriores, probablemente producidas en entornos cósmicos muy densos y abarrotados, como cúmulos estelares, donde los agujeros negros tienen más probabilidades de encontrarse y fusionarse repetidamente.

En un nuevo artículo publicado en The Astrophysical Journal Letters, la colaboración internacional LIGO-Virgo-KAGRA anuncia la detección de dos eventos de ondas gravitacionales en octubre y noviembre del año pasado que presentaban espines (giros) de agujeros negros inusuales. Una observación que aporta una nueva pieza importante a nuestra comprensión del fenómeno más escurridizo del Universo.



Las ondas gravitacionales son "ondulaciones" del espacio-tiempo que resultan de eventos cataclísmicos en el espacio profundo. Las ondas más fuertes son producidas por las colisiones de agujeros negros. Utilizando técnicas algorítmicas sofisticadas y modelos matemáticos, los investigadores son capaces de reconstruir muchas características físicas de los agujeros negros detectados a partir del análisis de las señales gravitacionales, como sus masas y la distancia del evento respecto a la Tierra, o incluso la velocidad y dirección de su rotación alrededor de su eje, llamada spin (giro).

La primera de las dos fusiones del artículo fue detectada el 11 de octubre de 2024 (GW241011). Ocurrió a aproximadamente 700 millones de años luz y resultó de la colisión de dos agujeros negros con masas de alrededor de 17 y 7 veces la masa del Sol. La rotación del mayor de los agujeros negros en GW241011 es una de las más rápidas jamás observadas.

Casi un mes después, el 10 de noviembre de 2024, se detectó la segunda fusión, nombrada GW241110, a unos 2.400 millones de años luz e involucró la fusión de agujeros negros de aproximadamente 16 y 8 veces la masa del Sol. Mientras que la mayoría de los agujeros negros observados giran en la misma dirección que su órbita, se observó que el agujero negro principal de GW241110 giraba en una dirección opuesta a su órbita, una primicia de este tipo.

"Cada nueva detección proporciona información importante sobre el Universo, recordándonos que cada fusión observada es a la vez un descubrimiento astrofísico y un laboratorio invaluable para estudiar las leyes fundamentales de la física", declara Carl-Johan Haster, coautor del artículo e investigador y profesor de astrofísica en la Universidad de Nevada, Las Vegas (UNLV). "Se habían previsto binarias como estas a la luz de observaciones anteriores, pero esta es la primera evidencia directa de su existencia."


Estos dos eventos parecen indicar que podrían tratarse de "agujeros negros de segunda generación". "Entre los cientos de eventos que la red LIGO-Virgo-KAGRA ha observado, GW241011 y GW241110 se encuentran entre los más innovadores", declara Stephen Fairhurst, investigador y profesor en la Universidad de Cardiff y portavoz de la colaboración científica LIGO. "El hecho de que ambos eventos presenten un agujero negro mucho más masivo que el otro y en rotación rápida parece indicar que estos agujeros negros se formaron a partir de fusiones anteriores de agujeros negros."

Los científicos destacan algunas características particulares, especialmente la diferencia de tamaño entre los agujeros negros en cada fusión –el más grande era casi el doble de masivo que el más pequeño– y la orientación del spin de los agujeros negros más grandes en cada evento. Una explicación natural de estas particularidades 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, como cúmulos estelares, donde los agujeros negros tienen más probabilidades de encontrarse y fusionarse repetidamente.

"Estos descubrimientos resaltan las capacidades extraordinarias de nuestros observatorios globales de ondas gravitacionales", declara Gianluca Gemme, investigador del INFN y portavoz de la colaboración Virgo. "Las configuraciones de spin inusuales 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 entornos cósmicos densos: nos enseñan que algunos agujeros negros existen no solo como parejas aisladas, sino probablemente también como miembros de una multitud densa y dinámica. Estos descubrimientos subrayan la importancia de la colaboración internacional para desvelar los fenómenos más evasivos y energéticos del Universo."

Descubrir las propiedades ocultas de las fusiones de agujeros negros

Las ondas gravitacionales fueron predichas por primera vez por Albert Einstein como parte de su teoría de la relatividad general en 1916, pero su presencia –aunque probada en los años 70– no fue observada directamente por los científicos hasta hace solo 10 años, cuando las colaboraciones científicas LIGO y Virgo anunciaron la detección de las ondas resultantes de una fusión de agujeros negros.

Hoy, LIGO-Virgo-KAGRA es una red global de detectores avanzados de ondas gravitacionales, que se acerca al final de su cuarta campaña de observación, O4. La campaña 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 gracias a las ondas gravitacionales, incluyendo los candidatos identificados en la campaña de observación en curso que esperan su validación final.

Por otro lado, la precisión con la que se midió GW241011 también ha permitido probar algunas predicciones de la teoría de la relatividad general de Einstein en condiciones extremas.

De hecho, este evento puede compararse 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. Analizando GW241011, el equipo de investigación encontró una concordancia muy buena con la solución de Kerr y verificó nuevamente la predicción de Einstein, con una precisión sin precedentes.

Además, debido a que las masas de los agujeros negros individuales difieren considerablemente, la señal de ondas gravitacionales contiene el "zumbido" de un armónico superior –similar a los armónicos de los instrumentos musicales– observado solo por tercera vez con GW241011. Uno de estos armónicos fue observado con gran 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 pudiera existir más allá de la teoría de Einstein", concluye Haster.

Búsqueda avanzada de partículas elementales

Los agujeros negros de rotación rápida como los observados en este estudio tienen ahora una nueva utilidad en física de partículas. Los científicos pueden usarlos para probar la existencia de ciertas partículas elementales hipotéticas.

Estas partículas, llamadas bosones ultraligeros, son predichas por algunas teorías más allá del Modelo Estándar de la física de partículas, que describe y clasifica todas las partículas elementales conocidas. Si los bosones ultraligeros existen, pueden extraer la energía de rotación de los agujeros negros. Por lo tanto, la cantidad de energía extraída y la velocidad a la que la rotación de los agujeros negros se ralentiza con el tiempo dependería de la masa de estas partículas. El hecho de que el agujero negro masivo involucrado en GW241011 siga girando rápidamente, incluso millones o miles de millones de años después de su formación, descarta un amplio rango de masas de bosones ultraligeros.

"La detección e inspección de estos dos eventos demuestra cuán importante es hacer funcionar nuestros detectores en sinergia y esforzarse por mejorar su sensibilidad", declara Francesco Pannarale, investigador y profesor en la Universidad de Roma y copresidente de la división de ciencias observacionales de la colaboración LIGO-Virgo-KAGRA. "Los instrumentos LIGO y Virgo nos han enseñado aún más sobre cómo pueden formarse las binarias de agujeros negros en nuestro Universo, así como sobre la física fundamental que las gobierna. Mejorando nuestros instrumentos, podremos profundizar más en estos y otros aspectos con mayor precisión."

Fuente: CNRS IN2P3