El recuento asciende a 267. Ese es el número de eventos de ondas gravitacionales confirmados extraídos de los datos de los detectores que se remontan a casi una década, 267 momentos separados en los que dos objetos masivos chocaron en algún lugar del universo observable y enviaron ondas a través del espacio-tiempo que llegaron a la Tierra como distorsiones apenas detectables más pequeñas que un protón. Durante años, cada detección fue su propia ocasión, su propio anuncio. Algo ha cambiado. El catálogo ha crecido lo suficiente como para que los astrónomos ya no catalogen curiosidades; están haciendo demografía, y el panorama que surge de ese censo es complicado exactamente como tiende a serlo el universo.
La colaboración LIGO-Virgo-KAGRA lanzó esta semana su quinto catálogo importante de ondas gravitacionales, y lo que el nuevo conjunto de datos muestra más claramente es que los agujeros negros, al menos los que se forman en pares y eventualmente se convierten en espirales entre sí, no todos provienen del mismo lugar. Parece haber varios procesos de ensamblaje distintos en funcionamiento, cada uno de los cuales deja huellas identificables en las masas y velocidades de giro de los objetos que quedan.
La huella más clara pertenece al giro. La mayoría de los agujeros negros que se fusionan giran relativamente lentamente, con las denominadas magnitudes de giro adimensionales inferiores a aproximadamente 0,5 en una escala donde 1 representa el máximo teórico. Pero un subconjunto de la población claramente no se ajusta a ese patrón. El análisis identifica una subpoblación de agujeros negros que giran aproximadamente a 0,7 en esa escala, una velocidad que suena abstracta hasta que se traduce en algo más tangible. “El sol gira una vez cada 25 días”, dice Sharan Banagiri, investigador de la Universidad de Monash que dirigió el análisis de la población. “Si se convirtiera en un agujero negro y comenzara a girar tan rápido como los que descubrimos, rotaría varios miles de veces por segundo”. Según los investigadores, la cuestión clave del diagnóstico es de dónde proceden estos objetos que giran rápidamente. La respuesta principal implica una especie de reciclaje cósmico que los físicos llaman fusiones jerárquicas.
Agujeros negros que se comieron a otros agujeros negros
El escenario jerárquico es más o menos así. En entornos estelares densos, se pueden acumular cúmulos globulares llenos de cientos de miles de estrellas, los agujeros negros. Dos se fusionan. El objeto resultante, en lugar de ser expulsado por el retroceso, queda retenido dentro del pozo gravitacional del cúmulo. Luego deambula hasta que encuentra otro agujero negro y el proceso se repite. Estos objetos de segunda generación heredan un alto giro, una característica conocida del propio proceso de fusión, porque la colisión de dos objetos compactos casi inevitablemente imparte un fuerte momento angular al remanente. Por lo tanto, un agujero negro que gira rápidamente es, al menos en algunos casos, un agujero negro que alguna vez fue producto de una colisión anterior.
Los datos del GWTC-5.0 respaldan esta interpretación de una manera específica y, para los investigadores, algo inesperada. La subpoblación que gira rápidamente no se agrupa en una única escala masiva. Aparece en dos rangos separados: masas primarias entre aproximadamente 10 y 20 veces la masa del sol, y nuevamente por encima de aproximadamente 45 masas solares. La brecha entre ellos (la región de 20 a 45 masas solares) muestra comparativamente pocos signos de la firma de alto giro. Esta estructura de doble pico es consistente con la idea de que las fusiones jerárquicas están contribuyendo en más de un punto del espectro de masas, por razones que probablemente se relacionan con la distribución de masa subyacente de los agujeros negros de primera generación a partir de los cuales se construyen. Pero es un patrón que el campo necesitará explicar en lugar de simplemente señalar.
El catálogo también muestra que algo interesante sucede en el extremo de gran masa en general. Por encima de aproximadamente 40 masas solares, el miembro más ligero de cada par, el secundario, disminuye en abundancia más rápido que el primario, más pesado. Los binarios en este rango de masas tienden a emparejamientos desiguales, lo que es en sí mismo una firma consistente con lo que se esperaría de fusiones jerárquicas: un objeto muy masivo de segunda generación emparejado con un compañero de primera generación comparativamente liviano. El equipo de Banagiri infiere el inicio de esta subpoblación de gran masa en alrededor de 46 masas solares, aproximadamente 12 más o menos.
Lo que Spin te dice sobre el lugar de nacimiento
Leer la distribución de giros en todo el catálogo resulta ser algo así como leer hojas de té, pero con mejores estadísticas. El giro inspiracional efectivo (una medida combinada ponderada en masa de qué tan alineado está el eje de giro de cada agujero negro con el plano orbital) es ligeramente asimétrico hacia valores positivos en toda la población. Esa asimetría transporta información. Si los agujeros negros se formaran completamente a través de procesos dinámicos aleatorios en cúmulos, sus espines estarían orientados en direcciones aleatorias y la distribución efectiva de espines sería simétrica alrededor de cero. El sesgo observado hacia valores positivos indica que al menos algunas de las fusiones involucran sistemas donde los espines tienen una alineación preferida con la órbita; Las estimaciones del catálogo sitúan esto entre el 9 y el 40 por ciento de todas las fusiones. Probablemente se trate de sistemas que se formaron en relativo aislamiento, dos estrellas masivas que vivieron y murieron juntas sin el caos gravitacional de un cúmulo que altera la geometría. Por otro lado, entre el 30 y el 46 por ciento de todas las fusiones muestran un giro inspiracional efectivo negativo, lo que significa que al menos un agujero negro está girando hacia atrás en relación con el plano orbital, lo cual es difícil de explicar sin canales de formación dinámica de algún tipo.
“Este conjunto de casi 400 detecciones de ondas gravitacionales de LIGO y Virgo nos proporciona una indicación clara de que las fusiones binarias de agujeros negros que vemos se están formando de varias maneras diferentes”, dice Banagiri. “Algunos podrían formarse como una nube gigante de gas que colapsa para dar dos estrellas masivas que luego se convierten en agujeros negros. Otros podrían ser agujeros negros que vagan entre sí en entornos densos llamados cúmulos llenos de estrellas. Mientras que otros son producto de una generación anterior de fusiones entre dos agujeros negros”.
Sylvia Biscoveanu, de la Universidad de Princeton, coautora del análisis, señaló que el nuevo catálogo marca el mayor aumento individual en el recuento de eventos de ondas gravitacionales hasta la fecha, y señaló detecciones individuales que se destacan como particularmente diagnósticas. Entre ellos se encuentra GW241127, que involucra un par de agujeros negros con masas sorprendentemente diferentes y órbitas visiblemente tambaleantes, el tipo de geometría de precesión que surge cuando los espines están fuertemente desalineados con el plano orbital. Eventos como ese, integrados en el contexto estadístico que proporciona el catálogo completo, son los que permiten que las afirmaciones de la subpoblación se mantengan.
También vale la pena señalar una característica que no aparece en los datos. La teoría de la evolución estelar predice la llamada brecha de inestabilidad de pares, un rango de masas donde las estrellas muy masivas no deberían poder producir agujeros negros mediante un colapso estelar normal. En términos generales, se espera que esta brecha esté por encima de 40-50 masas solares y por debajo de unos pocos cientos. Sin embargo, la distribución de masa primaria del GWTC-5.0 no muestra evidencia clara de esta brecha: se inclina en masas altas pero continúa sin problemas más allá de las 100 masas solares. Esto no significa que la brecha esté ausente. Puede ser simplemente que las fusiones jerárquicas lo estén poblando desde arriba, llenando exactamente el rango donde la evolución estelar ordinaria no puede alcanzar.
Un censo, no una historia
“Ya no estamos simplemente observando anomalías individuales, sino que estamos viendo un verdadero caleidoscopio de colisiones cósmicas”, afirma Eric Thrane, profesor de la Universidad de Monash e investigador jefe del centro OzGrav. “Estamos superando los límites de lo que conocemos, viendo cosas que son más masivas, giran más rápido y son más inusuales que nunca”. El paso de recolectar especímenes a elaborar perfiles de poblaciones abre nuevas preguntas más rápido de lo que las resuelve. ¿La mezcla de canales de formación evoluciona con el tiempo cósmico? El catálogo ya muestra indicios de que las distribuciones de espín se amplían con desplazamientos al rojo más altos, posiblemente una señal de que las fusiones jerárquicas se vuelven más comunes en el universo temprano más denso. Se esperan más de 68 eventos en GWTC-6.0 y, con cada incorporación, el panorama demográfico se agudiza.
https://dcc.ligo.org/LIGO-P2600045/public
Preguntas frecuentes
¿Qué es una onda gravitacional y cómo la detecta LIGO?
Las ondas gravitacionales son ondas en el espacio-tiempo que se producen cuando objetos masivos se aceleran, con mayor fuerza cuando dos objetos compactos, como los agujeros negros, se juntan en espiral y se fusionan. LIGO los detecta mediante interferómetros láser: dos rayos de luz recorren túneles perpendiculares de cuatro kilómetros de longitud y se reflejan. Cuando una onda gravitacional lo atraviesa, estira el espacio-tiempo en una dirección y lo comprime en la otra, produciendo una pequeña diferencia en las longitudes de los dos haces que se manifiesta como un cambio en el patrón de interferencia. Los desplazamientos involucrados son extraordinariamente pequeños, mucho más pequeños que el diámetro de un protón, lo que convierte a los detectores en uno de los instrumentos más sensibles jamás construidos.
¿Qué significa realmente una fusión jerárquica de agujeros negros?
Una fusión jerárquica es aquella en la que al menos uno de los agujeros negros involucrados fue en sí mismo producto de una fusión anterior, en lugar de un remanente estelar formado por el colapso de una estrella masiva. Cuando dos agujeros negros se fusionan, el objeto resultante tiene un alto giro característico, normalmente alrededor del 70 por ciento del máximo teórico. Si este remanente se retiene dentro de un denso cúmulo estelar en lugar de ser expulsado por el retroceso, puede fusionarse nuevamente, llevando su alto giro a la siguiente generación. Detectar estos objetos estadísticamente, buscando la firma de alto giro en escalas de masa específicas, es uno de los objetivos clave del análisis de población del GWTC-5.0.
¿Por qué algunos agujeros negros giran hacia atrás con respecto a su órbita?
La dirección de giro de un agujero negro en relación con su órbita binaria se establece temprano en su historia y es difícil de cambiar después del hecho. En la evolución binaria aislada, dos estrellas que se forman juntas tienden a tener sus espines alineados con el plano orbital, porque todo el sistema hereda el momento angular de la nube de gas original. Pero en entornos dinámicos como los cúmulos globulares, los agujeros negros se emparejan a través de encuentros casuales en lugar de un nacimiento común, por lo que no hay razón para que sus giros deban estar alineados con la órbita resultante. Los agujeros negros con espines inclinados más de 90 grados con respecto a la órbita, girando en el sentido opuesto, son, por lo tanto, una firma de ensamblaje dinámico. El catálogo encuentra esta propiedad en aproximadamente un tercio de todas las fusiones.
¿Qué es la brecha de masa de inestabilidad de pares y por qué LIGO no la ve claramente?
La teoría de la evolución estelar predice que las estrellas muy masivas, aquellas con masas centrales en un cierto rango, no pueden producir agujeros negros mediante colapso porque las temperaturas extremas desencadenan la producción de pares de electrones y positrones, lo que hace que la estrella explote por completo en lugar de dejar un remanente. Esto debería producir una brecha en el espectro de masas de los agujeros negros, aproximadamente entre 40 y 50 masas solares y unos pocos cientos de masas solares. Los datos del GWTC-5.0 no muestran claramente esta brecha en la distribución de masa primaria, que se extiende suavemente a masas elevadas. La explicación más probable es que las fusiones jerárquicas están poblando la brecha desde el interior, produciendo agujeros negros de gran masa a través de colisiones sucesivas en lugar de un colapso estelar directo.
¿Cuántas detecciones más de ondas gravitacionales se esperan y qué nos dirán?
La colaboración LIGO-Virgo-KAGRA espera que el próximo catálogo GWTC-6.0 agregue al menos 68 detecciones adicionales basadas en recuentos de alertas públicas. Cada nuevo evento contribuye al panorama estadístico, haciendo que los límites de las subpoblaciones sean más nítidos y las correlaciones entre masa, giro y corrimiento al rojo más precisas. Con suficientes eventos, la colaboración espera rastrear cómo cambia la mezcla de canales de formación a lo largo del tiempo cósmico, probando si las fusiones jerárquicas eran más comunes en el universo temprano más denso y si la brecha de inestabilidad de pares se vuelve visible como una característica en la distribución de masa secundaria una vez que el catálogo es lo suficientemente grande como para verlo con claridad.
Nota rápida antes de seguir leyendo.
ScienceBlog.com no tiene muros de pago, ni contenido patrocinado, ni ningún objetivo más allá de hacer la ciencia correcta. Cada historia aquí está escrita para informar, no para impresionar a un anunciante o promover un punto de vista.
El buen periodismo científico requiere tiempo: leer los artículos, comprobar las afirmaciones, encontrar investigadores que puedan poner los hallazgos en contexto. Hacemos ese trabajo porque creemos que es importante.
Si encuentra útil este sitio, considere apoyarlo con una donación. Incluso unos pocos dólares al mes ayudan a mantener la cobertura independiente y gratuita para todos.