Cuando dos agujeros negros se fusionan en uno, a veces dejan ondas en el espacio. Estas ondas fueron predichas por primera vez por Albert Einstein hace más de un siglo, y ahora están ayudando a los científicos a reconstruir el proceso que fomenta las fusiones de agujeros negros.
Un nuevo estudio publicado en The Astrophysical Journal Letters ha investigado las ondas u ondas gravitacionales de dos fusiones de agujeros negros que ocurrieron a finales de 2024, cada una con un par de agujeros negros que colisionaron. Las ondas emitidas por los eventos han permitido a los investigadores inferir que un agujero negro en cada par puede ser un agujero negro de “segunda generación”, o uno que ya se había originado a partir de una fusión anterior. Con esta información, están empezando a comprender cómo crecen los sistemas de agujeros negros en entornos cósmicos densos.
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Una buena señal de las fusiones de agujeros negros
El 11 de octubre de 2024, se produjo una fusión de agujeros negros (GW241011) a unos 700 millones de años luz de distancia; Los dos agujeros negros pesaban alrededor de 17 y 7 veces la masa de nuestro sol, respectivamente, y el mayor de los dos tenía una de las rotaciones más rápidas observadas hasta la fecha.
Luego, el 10 de noviembre de 2024, otra fusión (GW241110) reunió un par de agujeros negros separados, esta vez a 2.400 millones de años luz de distancia; estos dos pesaban alrededor de 16 y 8 veces la masa de nuestro sol, respectivamente, y el agujero negro primario fue el primero en observarse girando en dirección opuesta a su órbita.
Utilizando técnicas algorítmicas y modelos matemáticos, los investigadores pudieron interpretar las señales gravitacionales de ambas fusiones y observar características clave de los agujeros negros detectados, como su velocidad y giro.
Jerarquías de agujeros negros
Fusión binaria de agujeros negros
(Crédito de la imagen: Carl Knox, OzGrav, Universidad Tecnológica de Swinburne)
Pero ¿qué tienen que ver entre sí estas dos fusiones del año pasado? El vínculo, encontraron los investigadores, es que ambos pueden confirmar la presencia de agujeros negros de “segunda generación”.
Esto se debe a que un agujero negro en cada fusión era más grande y tenía distintas orientaciones de giro en comparación con sus socios más pequeños. Tomando nota de la diferencia de tamaño en ambas fusiones, los investigadores han propuesto que los agujeros negros más grandes probablemente se originaron a partir de fusiones anteriores, un fenómeno llamado “fusión jerárquica”.
Según una declaración sobre el nuevo estudio, esto sucede cuando los sistemas de agujeros negros residen en ambientes densos donde es más probable que los agujeros negros choquen entre sí y se fusionen una y otra vez.
“Las inusuales configuraciones de espín observadas en GW241011 y GW241110 no sólo 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 sólo como compañeros aislados sino probablemente como miembros de una multitud densa y dinámica”, dijo Gianluca Gemme, portavoz de la Colaboración Virgo, que supervisa el desarrollo del detector de ondas gravitacionales Virgo en Italia.
Poniendo a prueba las teorías de Einstein
Al observar las fusiones de agujeros negros de octubre y noviembre de 2024, los investigadores han podido verificar predicciones relacionadas con la teoría de la relatividad general de Einstein y el trabajo del matemático Roy Kerr sobre la rotación de los agujeros negros.
Según los investigadores, cuando la rápida rotación de un agujero negro lo deforma ligeramente, deja una huella característica en las ondas gravitacionales que emite. La gran diferencia de masa entre los agujeros negros también crea un “zumbido” de un armónico más alto, muy parecido a los armónicos de los instrumentos musicales. Uno de estos armónicos se observó en la fusión de octubre (GW241011), alineándose con la teoría de Einstein.
Otra forma en que los agujeros negros que giran rápidamente ayudan a los científicos es que pueden usarse para probar si existen partículas elementales ligeras (llamadas “bosones ultraligeros”) y qué tan grandes pueden ser. Si existen, los bosones ultraligeros podrían extraer energía rotacional de los agujeros negros, aunque todavía quedan varios factores desconocidos relacionados con estas partículas que aún están por descifrar.
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