Un accidente cósmico: Captan dos agujeros negros supermasivos en ruta de colisión

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Hoy por hoy sabemos que las estrellas de neutrones y los agujeros negros se funden, liberando al espacio ingentes cantidades de energía en forma de ondas gravitacionales, distorsiones del espacio-tiempo que se transmiten a la velocidad de la luz y que llegan a la Tierra desde las profundidades del espacio.

Es muy interesante estudiar estos eventos, porque se han observado muy pocas veces y porque nos dicen mucho sobre la Relatividad y, por tanto, sobre la propia materia, la energía y la gravedad. Pero aún hay muchas cosas que no sabemos. Por ejemplo: ¿Se fusionan también los agujeros negros supermasivos, que alcanzan millones de masas solares? ¿Con qué frecuencia lo hacen? Esto es clave para entender el origen y la evolución del Universo en el que vivimos.

Un estudio que se acaba de publicar en The Astrophysical Journal Letters, y dirigido por Andy Goulding, investigador en la Universidad de Princeton, ha revelado la existencia de dos agujeros negros supermasivos en ruta de colisión. Dos masas irresistibles, impulsadas por una energía imparable, cada vez más cerca. Cada uno de ellos tiene una masa de 800 millones de soles y se encuentran a una distancia de 430 pársecs (unos 1.400 años luz). Se prevé que se acerquen en una espiral mortífera, que quizás culminará con un estallido de ondas gravitacionales que hará palidecer a los detectados hasta ahora. Este choque va a ocurrir de forma inminente, pero pasarán eones hasta que sus ondas lleguen hasta nosotros.

«Los binarios de agujeros negros supermasivos producen las ondas gravitacionales más fuertes de todo el Universo», ha dicho en un comunicado Chiara Mingarelli, investigadora en el Instituto Flatiron de Astrofísica Computacional de Nueva York, y coautora del hallazgo. «Serán millones de veces más altas que las detectadas por LIGO –este es, junto a Virgo, uno de los dos observatorios de ondas gravitacionales que inauguraron este campo en 2015, y que desde entonces permiten «escuchar» las ondas gravitacionales–».

Estas dos moles negras, cuya gravedad es tan intensa que no deja salir nada de su interior, se encuentran a 2.500 millones de años luz. Curiosamente, según los cálculos de los astrónomos, podrían estar chocando en este mismo momento, pero dada la distancia a la que están, pasarán 2.500 millones de años hasta que estas ondas lleguen a la Tierra. Por entonces, el Sol habrá consumido más de la mitad de la vida que le queda. La superficie de la Tierra se habrá transformado por completo a causa de la tectónica de placas.

Monstruos escondidos
Los agujeros fueron detectados con el Telescopio Espacial Hubble. Los astrónomos estaban investigando una galaxia de nombre «SDSS J101022.96+141300.9», y que se caracteriza por ser una de las más brillantes del Universo. Querían averiguar cuál es el origen de dos gigantescos surtidores de gas, disparados desde el núcleo de esta galaxia. ¿Qué hay ahí tan potente como para producir esos surtidores?

Los espejos del Hubble revelaron la presencia de dos grandes y brillantes cúmulos de estrellas, rodeadas de girones de gas caliente, atrapados en torno a dos puntos. Esto indicó que ahí existen dos objetos gigantescos e invisibles: es decir, dos agujeros negros supermasivos. Además, resultó que están en ruta de colisión, en mitad de una galaxia que se está fusionando.

Los investigadores quisieron después aprovechar este hallazgo para el campo de las ondas gravitacionales. El motivo es que estas nos permitirían «escuchar» las fusiones de agujeros negros en el Universo, para saber cuán frecuentes son estas fusiones.

Según las conclusiones de los investigadores, como mucho existen 112 agujeros negros supermasivos en fusión, emitiendo ondas gravitacionales. Lo mejor es que han concluido que será posible que midamos sus ondas gravitacionales en tan solo cinco años.

¿Realmente se fusionan los agujeros?
Como estos dos agujeros negros están a 2.500 millones de años luz, pasarán 2.500 millones de años que sus ondas gravitacionales lleguen a la Tierra. Sin embargo, su estudio nos dice cómo era el Universo en el pasado y nos ayuda a estimar la frecuencia de las parejas de estos agujeros. Esto también es muy interesante para determinar un fenómeno conocido como fondo de ondas gravitacionales, un trasfondo procedente de los agujeros de todos los rincones del Universo, que nos permitiría saber con qué frecuencia se funden las galaxias o si los agujeros negros supermasivos se fusionan realmente.

«Es una gran vergüenza para la astronomía que no sepamos si los agujeros negros supermasivos se fusionan», ha dicho en un comunicado Jenny Greene, coautora del estudio. «Para todos los que estudiamos esto, este es un puzzle que necesitamos resolver».

El vals alocado de los agujeros negros
Los agujeros negros supermasivos están en el centro de casi todas las galaxias, alcanzando masas de millones o miles de millones de soles. Cuando dos galaxias se funden, como pasó en la Vía Láctea, sus agujeros negros a veces se encuentran y comienzan a orbitar el uno frente al otro, en un vals alocado y altamente energético, en el que se acercan progresivamente, emitiendo energía en forma de ondas gravitacionales y girando cada vez más rápido. Es lo mismo que pasa con los agujeros negros estelares o con las estrellas de neutrones, pero a otra escala. A una escala supermasiva.

Pero, ¿cómo acaba este vals? Esta es la gran pregunta. Se cree que si efectivamente se fusionan, emiten un potente y breve estallido de ondas gravitacionales, distinto al que emiten durante su acercamiento. Pero otros modelos teóricos sugieren que cuando los agujeros se acercan hasta una distancia crítica, de alrededor de 3,2 años luz (un pársec), se frenan… ¡casi para siempre! Según este modelo, llamado «problema del pársec final», solo los grupos de tres o más agujeros negros supermasivos llegan realmente a fusionarse.

El puzzle es endiablado, y no solo porque haya que esperar una eternidad para ver qué ocurre. Los agujeros negros situados a una distancia de un pársec están tan cerca que resulta imposible distinguirlos.

Un coro de grillos
Por ello, resulta muy conveniente «escuchar» sus ondas gravitacionales, en este fondo de ondas gravitacionales del que hablan los astrónomos. «Este ruido es el llamado trasfondo de ondas gravitacionales, y es un poco como un coro caótico de grillos», ha dicho Goulding. «No puedes distinguir un grillo de otro, pero el volumen del sonido te ayuda a estimar cuántos grillos puede haber».

En este caso, saber cuántos grillos cantan es saber cuántas parejas de agujeros negros supermasivos hay en fusión, lo que nos dice cuántas galaxias se unen y, en definitiva, cómo «envejece» o se transforma nuestro Universo. Además, en teoría se puede distinguir el acercamiento de estos objetos de la fusión propiamente dicha.

Por ahora, los observatorios de ondas gravitacionales no tienen la sensibilidad suficiente, pero los autores del estudio cuentan con que sea así en unos pocos años. Si no, han explicado que hay técnicas indirectas que quizás podrían ayudar.

Una sería analizar la luz de los púlsares. Estas son estrellas de neutrones que giran muy rápido y emiten pulsos con un periodo muy concreto y extremadamente preciso, como si fueran un faro astrofísico, de modo que si una distorsión del espacio-tiempo atraviesa el lugar por donde viaja su luz, podríamos detectar un cambio de ritmo. En concreto, ¡una distorsión de varios nanosegundos en una década!

Cuanto mayor sea este ruido de fondo, mayor desajuste en el tiempo captaremos. Además, antes se podría hacer la primera detección. De esta forma, si se encuentra este ruido de fondo de estos grillos tan supermasivos, sabremos que estos grandes agujeros negros realmente se fusionan. Y si no, obtendríamos un indicio de que el problema del pársec final realmente ocurre.

Ahora, los autores del estudio tratarán de buscar otras galaxias que alberguen una de estas parejas de agujeros negros supermasivos en fusión para afinar sus predicciones.