Una fusión “prohibida” entre dos agujeros negros masivos puede no haber sido tan imposible como se pensaba anteriormente. Esto es según una nueva investigación que sugiere que los agujeros negros involucrados eran más pequeños de lo esperado.
El 23 de noviembre de 2023, el detector de ondas gravitacionales LIGO (Observatorio de Ondas Gravitacionales con Interferómetro Láser) detectó pequeñas ondas en el espacio-tiempo causadas por la fusión de dos agujeros negros. Lo increíble de esta señal, denominada GW231123, es que parecía ser el resultado de la colisión de un agujero negro con 140 veces la masa del Sol con otro que alberga 100 masas solares.
Esto sorprendió a los investigadores porque los modelos habituales de evolución estelar luchan por explicar agujeros negros tan masivos, especialmente aquellos que parecían girar tan rápido como estos dos. Mientras tanto, los científicos han estado intentando explicar cómo se pudo formar un binario de agujero negro tan extraño. El equipo detrás de esta nueva investigación sugiere que no es necesario explicarlo en absoluto. Piensan que las masas de estos agujeros negros eran una ilusión.
La clave de esta ilusión es un fenómeno llamado lente gravitacional, predicho por primera vez por la teoría de la gravedad de Albert Einstein de 1915, la relatividad general, que también predijo por primera vez la existencia de ondas gravitacionales. Esta teoría dice que los objetos con masa provocan la curvatura del espacio y el tiempo, unidos como una entidad de cuatro dimensiones llamada “espaciotiempo”. Cuanta más masa posee un objeto, mayor es la curvatura y, como la gravedad surge de esta curvatura, mayor es la influencia gravitacional.
Las lentes gravitacionales se producen cuando la luz de un objeto del fondo pasa por un objeto masivo del primer plano. El objeto en primer plano puede deformar el tejido del espacio-tiempo de tal manera que la trayectoria de la luz se curva. Esto significa que la luz de la misma fuente de fondo puede llegar a la Tierra en diferentes momentos, dependiendo de cuánto se desvió esa luz.
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Esta diferencia en el tiempo de viaje puede magnificar una fuente de fondo, y se ha utilizado con gran efecto para observar galaxias antiguas y distantes que normalmente son demasiado débiles para ser vistas.
Este equipo de investigación cree que el efecto también se aplica a las ondas gravitacionales, lo que sugiere que la señal GW231123 es un ejemplo de ondas gravitacionales en el espacio-tiempo que hicieron que los agujeros negros parecieran más grandes de lo que realmente son.
“Al igual que la luz, las ondas gravitacionales también pueden ser desviadas, magnificadas y divididas en múltiples señales por objetos masivos”, dijo en un comunicado el miembro del equipo Miguel Zumalacárregui, líder del grupo en el Departamento de Relatividad Astrofísica y Cosmológica del Instituto Albert Einstein (AEI). “En el caso de las ondas gravitacionales, los efectos de difracción e interferencia nos brindan una forma adicional de identificar y estudiar señales de lentes”.
Para investigar esta posibilidad, el equipo desarrolló un modelo matemático de lentes gravitacionales y creó un software lo suficientemente potente y rápido para analizarlo.
“Si asumimos que GW231123 fue desviado y distorsionado por un objeto compacto de aproximadamente 190 a 850 masas solares, o por una estructura extendida como un cúmulo globular, podemos entender las grandes masas observadas”, dijo Srashti Goyal, miembro del equipo, que trabajaba en el AEI cuando realizó la investigación. “Además, la interpretación de la lente no requiere giros inusualmente altos”.
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Cuando el equipo modeló el evento teniendo en cuenta esa consideración, descubrieron que la fusión involucraba un sistema con una masa de 140 masas solares, en lugar del sistema de 240 masas solares teorizado inicialmente.
El equipo no sabe muy bien qué objeto masivo es responsable de captar la señal de onda gravitacional GW231123. Pero no importa lo que sea, si el equipo está en lo cierto, la lente podría ser algo bastante especial.
“La naturaleza de la lente sigue siendo un gran misterio en nuestro análisis, ya que las lentes compactas individuales con entre 100 y 1.000 masas solares deberían ser extremadamente raras”, dijo Zumalacárregui. “El trabajo futuro necesitará establecer si tales lentes pueden formarse, o si un conjunto de objetos más ligeros, incluidas las estrellas, puede explicar este evento”.
El equipo aún no puede decir de manera concluyente si GW231123 es la primera señal de onda gravitacional captada con lentes gravitacionales. Encontrar señales futuras de este tipo requerirá mejoras en la sensibilidad de detectores como LIGO.
Aunque incluso antes de que eso suceda, la investigación apunta a la utilidad de la astronomía de ondas gravitacionales para estudiar algunos de los eventos más violentos del universo.
La investigación del equipo fue publicada el 25 de agosto en Astrophysical Journal Letters.