Billares de agujeros negros explican fusiones caóticas

Ilustración de un enjambre de agujeros negros más pequeños en un disco de gas que gira alrededor de un agujero negro gigante. - J. SAMSING/NIELS BOHR INSTITUTE

   MADRID, 9 Mar. (EUROPA PRESS) -

   Investigadores han encontrado explicación plausible de por qué uno de los pares de agujeros negros más masivos observados por ondas gravitacionales también parecía fusionarse en órbita no circular.

   La solución que sugieren, publicada ahora en la revista 'Nature', tiene que ver con un triple drama caótico en el interior de un disco gigante de gas alrededor de un agujero negro supermasivo en una galaxia muy lejana.

   Los agujeros negros son uno de los objetos más fascinantes del Universo, pero nuestro conocimiento de ellos es todavía limitado, sobre todo porque no emiten luz. Hasta hace unos años, la luz era nuestra principal fuente de conocimiento sobre nuestro universo y sus agujeros negros, hasta que el Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferómetro Láser (LIGO) realizó en 2015 su innovadora observación de las ondas gravitacionales procedentes de la fusión de dos agujeros negros.

   "Pero, ¿cómo y en qué lugar de nuestro Universo se forman y fusionan estos agujeros negros? ¿Sucede cuando las estrellas cercanas colapsan y ambas se convierten en agujeros negros, es a través de encuentros casuales cercanos en cúmulos de estrellas, o es algo más? Estas son algunas de las preguntas clave en la nueva era de la Astrofísica de Ondas Gravitacionales", afirma el asistente profesor Johan Samsing, del Instituto Niels Bohr de la Universidad de Copenhague (Dinamarca), autor principal del artículo.

   Él y sus colaboradores pueden haber proporcionado ahora una nueva pieza del rompecabezas, que posiblemente resuelva la última parte de un misterio con el que los astrofísicos han luchado durante los últimos años.

   El misterio se remonta a 2019, cuando un inesperado descubrimiento de ondas gravitacionales fue realizado por los observatorios LIGO y Virgo. El evento denominado GW190521 se entiende como la fusión de dos agujeros negros, que no solo eran más pesados de lo que se creía físicamente posible, sino que además habían producido un destello de luz.

   Desde entonces se han dado posibles explicaciones para estas dos características, pero las ondas gravitacionales también revelaron una tercera característica sorprendente de este evento: que los agujeros negros no orbitaron uno alrededor del otro a lo largo de un círculo en los momentos previos a la fusión.

   "El evento de ondas gravitacionales GW190521 es el descubrimiento más sorprendente hasta la fecha. Las masas y los giros de los agujeros negros ya eran sorprendentes, pero aún lo es más el hecho de que no parezcan tener una órbita circular antes de la fusión", apunta el coautor Imre Bartos, profesor de la Universidad de Florida (Estados Unidos).

   "Esto se debe a la naturaleza fundamental de las ondas gravitacionales emitidas, que no sólo acercan al par de agujeros negros para que finalmente se fusionen, sino que también actúan para circularizar su órbita", explica el coautor Zoltan Haiman, profesor de la Universidad de Columbia.

   Esta observación hizo que muchas personas de todo el mundo, entre ellas Johan Samsing, de Copenhague, se preguntaran cómo estas fusiones no circulares, conocidas como excéntricas, pueden ocurrir con la sorprendente probabilidad que sugiere la observación.

   Una posible respuesta se encontraría en el duro entorno de los centros de las galaxias que albergan un agujero negro gigante de millones de veces la masa del Sol rodeado por un disco de gas plano y en rotación.

   "En estos entornos, la velocidad y la densidad típicas de los agujeros negros son tan altas que los agujeros negros más pequeños rebotan como en una gigantesca partida de billar y no pueden existir binarias circulares amplias", señala el coautor, el profesor Bence Kocsis, de la Universidad de Oxford (Reino Unido).

   Pero, como argumenta el grupo, un agujero negro gigante no es suficiente. "Los nuevos estudios muestran que el disco de gas desempeña un papel importante en la captura de agujeros negros más pequeños, que con el tiempo se acercan al centro y también entre sí. Esto no sólo implica que se encuentren y formen parejas, sino también que esa pareja pueda interactuar con otro tercer agujero negro, lo que a menudo da lugar a un tango caótico con tres agujeros negros volando alrededor", explica el astrofísico Hiromichi Tagawa, de la Universidad de Tohoku (Japón), coautor del estudio.

   Sin embargo, todos los estudios anteriores hasta la observación de GW190521 indicaban que la formación de fusiones de agujeros negros excéntricos es relativamente rara. Esto, naturalmente, hace que surja la pregunta de por qué la ya inusual fuente de ondas gravitacionales GW190521 se fusionó también en una órbita excéntrica.

   Todo lo que se ha calculado hasta ahora se basaba en la idea de que las interacciones de los agujeros negros tienen lugar en tres dimensiones, como se espera en la mayoría de los sistemas estelares considerados hasta ahora.

   "Pero entonces nos pusimos a pensar en lo que ocurriría si las interacciones de los agujeros negros tuvieran lugar en un disco plano, que se acerca más a un entorno bidimensional. Sorprendentemente, descubrimos en este límite que la probabilidad de formar una fusión excéntrica aumenta hasta 100 veces, lo que lleva a que aproximadamente la mitad de todas las fusiones de agujeros negros en tales discos puedan ser excéntricas", dice Johan Samsing.

   "Y ese descubrimiento encaja increíblemente bien con la observación de 2019, que en conjunto apunta ahora en la dirección de que las propiedades, por lo demás espectaculares, de esta fuente no son tan extrañas de nuevo, si se creó en un disco de gas plano que rodea un agujero negro supermasivo en un núcleo galáctico", añade.

   Esta posible solución también se suma a un problema centenario de la mecánica. "La interacción entre 3 objetos es uno de los problemas más antiguos de la física, que tanto Newton como yo mismo y otros hemos estudiado intensamente. Que ahora esto parezca jugar un papel crucial en cómo se fusionan los agujeros negros en algunos de los lugares más extremos de nuestro Universo es increíblemente fascinante", dice el coautor Nathan W. Leigh, profesor de la Universidad de Concepción, en Chile.

   La teoría del disco gaseoso también encaja con las explicaciones de otros investigadores sobre las otras dos desconcertantes propiedades de GW190521. Las grandes masas del agujero negro se han alcanzado mediante sucesivas fusiones en el interior del disco, mientras que la emisión de luz podría proceder del gas ambiental.

   "Ahora hemos demostrado que puede haber una gran diferencia en las señales emitidas por los agujeros negros que se fusionan en discos planos y bidimensionales, frente a las que solemos considerar en sistemas estelares tridimensionales, lo que nos dice que ahora tenemos una herramienta adicional que podemos utilizar para aprender sobre cómo se crean y fusionan los agujeros negros en nuestro Universo", afirma Johan Samsing.

   Pero este estudio es sólo el principio. "La gente ha estado trabajando en la comprensión de la estructura de estos discos de gas durante muchos años, pero el problema es difícil --señala el coautor Zoltan Haiman--. Nuestros resultados son sensibles a lo plano que es el disco y a cómo se mueven los agujeros negros en él".

   "El tiempo dirá si aprenderemos más sobre estos discos, una vez que tengamos una mayor población de fusiones de agujeros negros, incluyendo casos más inusuales similares a GW190521. Para ello, debemos basarnos en nuestro descubrimiento, ahora publicado, y ver a dónde nos lleva en este nuevo y apasionante campo", concluye.