Tsunami estelar: ecos de la fusión de dos agujeros negros

De acuerdo con el modelo, descrito el 22 de junio de 2016 en un artículo en la revista Nature, los agujeros negros alguna vez fueron estrellas extremadamente masivas que orbitaban entre sí.

Este par de estrellas gigantescas pesaba 96 y 60 veces más que la masa del Sol y se formó aproximadamente 2.000 millones de años después del big bang.

Al morir, ambas estrellas se convirtieron en agujeros negros que continuaron su baile orbital, eventualmente girando en espiral hasta fusionarse violentamente.

El cataclismo desencadenó ondas de impacto cósmico que se sintieron en la geometría del propio espacio-           tiempo, finalmente pasando por la Tierra el 14 de setiembre de 2015. La detección de estas ondas (en el Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferometría Láser, LIGO, por su sigla en inglés) fue la única evidencia de la vida y muerte del par de estrellas.

Aparte de ir averiguando el fondo de este evento histórico, el modelo muestra que las fusiones de agujeros negros van a ser las principales fuentes de ondas gravitacionales para LIGO, superando por mucho a las colisiones entre pares de estrellas de neutrones ultra densas o entre agujeros negros y estrellas de neutrones.

El modelo también predice un tesoro por venir para los astrónomos de ondas gravitacionales. De ser correctas las tasas sugeridas de fusiones de agujeros negros, podemos esperar que LIGO vea aproximadamente mil fusiones por año una vez que alcance su plena sensibilidad, esperada para el 2020. Eso daría a los astrónomos la posibilidad de estudiar poblaciones enteras de agujeros negros antiguos.

Verdaderamente esperamos pronto hacer paleontología con ondas gravitacionales”, dice Ilya Mandel, un astrofísico de la Universidad de Birmingham que no participó del estudio. En esencia, los astrónomos “aprenderán sobre la evolución de las estrellas a partir de sus remanentes, al igual que un paleontólogo puede descifrar cómo era en vida un dinosaurio y cómo se comportaba a partir de sus restos esqueléticos”, señala.

Licuadora de agujeros negros

La narrativa del modelo para el evento del 14 de setiembre ayuda a explicar por qué esa primera detección reveló un par de agujeros negros de tamaño inusual.

“Nuestro modelo dice que era un par de estrellas situadas en un rincón del Universo de cierta forma inusual”, dice Richard O'Shaughnessy, autor principal del estudio y miembro del Instituto Tecnológico de Rochester. Esta región primitiva consistió principalmente de vastas nubes de hidrógeno y helio (cosas prístinas de estrellas) que permitieron que las estrellas permanecieran más grandes que la mayoría de las que se forman actualmente.

Las estrellas más nuevas están más contaminadas con elementos pesados producidos por generaciones previas, lo que hace que se desprendan de masa más fácilmente. Luego de miles de millones de años, este derrame celestial limita el tamaño de los agujeros negros que las estrellas pueden producir cuando mueren, problemas que no tenían las estrellas primitivas.

Conforme esas estrellas envejecieron, se expandieron, pero la más masiva vivió más rápido y murió más joven. Esta estrella vieja e inflada rápido se volvió comida para su hermana más chica, cuya fuerza gravitacional empezó a chupar gases del exterior más frágil de la estrella más grande.

Luego de 3,9 millones de años de estarle robando gases a su hermana, la estrella más chica se volvió la más grande del par, y su compañera pronto colapsó para formar un agujero negro casi 35 veces más masivo que el Sol.

Conforme el agujero negro orbitó a la segunda estrella durante un millón de años, le arrancó gran parte de su exterior, envolviendo al par en una neblina gaseosa compartida que el agujero negro batió en frenesí, como una licuadora gigante alimentada con la gravedad.

El movimiento tipo Cuisinart del agujero negro absorbió energía a su órbita, acercando cada vez más al par hasta que ambas estuvieron a tan solo 64 millones de kilómetros de distancia, aproximadamente lo mismo que Mercurio del Sol. La segunda estrella murió, formando un agujero negro aproximadamente 31 veces más masivo que el Sol.

El resto es silencio. Durante 10.000 millones de años, el par se orbitó mutuamente, suspirando energía suavemente en forma de ondas gravitacionales minúsculas. Hace aproximadamente 1.400 millones de años, finalmente se acercaron lo suficiente para entrar en una espiral mortal y colisionar, irradiando una energía que brevemente superó a la combinación de todas las estrellas del universo observable.

“La explosión más grande del Universo sucedió en silencio y oscuridad total”, dice Chris Belczynski, principal autor del estudio y miembro de la Universidad de Varsovia, en Polonia.

Opciones más lúgubres

Los científicos ya han elogiado al modelo por su exhaustividad e incluso han empezado a incorporar los resultados a su propio trabajo, según una versión preliminar del documento de investigación que fue publicado en Internet a mediados de febrero del año pasado.

Pero el documento de investigación de Nature está lejos de ser el único que busca los orígenes de los agujeros negros.

Un informe reciente de la Revista Cartas de Física exploró la idea atrevida de que los agujeros negros podrían haberse formado instantes después del Big Bang, quizás al acecho como parte de una población de “agujeros negros primitivos” que podría ser la tan esquiva materia oscura, la cosa invisible que se piensa que constituye hasta el 27 por ciento de la masa del Universo.

“En esta etapa no sabemos si nuestro modelo bastante especulativo eventualmente será confirmado o descartado por más datos”, escribió en un correo electrónico Simeon Bird, de la Universidad de Johns Hopkins, autor principal del documento de investigación sobre la materia oscura.

“El trabajo de investigación de Belczynski va mucho más lejos; puede ayudar a explicar todo tipo de agujeros negros en proceso de fusión, incluyendo el recién anunciado segundo evento del LIGO. Es mucho menos especulativo, y puede hacer algunas predicciones concretas, como el giro de agujeros negros binarios”, destaca.

Mandel, quien ha trabajado previamente con los autores del estudio de Nature, dice que la explicación del documento para la fusión de agujeros negros le parece perfectamente plausible, pero advierte que sigue siendo una entre muchas posibilidades.

“Tal vez nunca conozcamos (el origen de) las fusiones individuales, a menos que la fusión tenga algunas características muy especiales”, precisa Mandel. “Pero tenemos grandes esperanzas de ser capaces de decir que hay varias subpoblaciones provenientes de distintos canales (de formación)”, una vez que LIGO recabe más datos en los próximos años.

Belczynski, por ejemplo, se siente emocionado con el desempeño que ha tenido su modelo, y con lo mucho que la detección de LIGO ha significado para sus colegas durante los últimos meses.

“Todo el campo se rejuveneció”, dice Belczynski. “Es una locura”, agrega.