El desierto de los agujeros negros: Una nueva pista para desvelar sus misterios

Durante mucho tiempo los agujeros fueron tan solo un experimento mental. La ideación de una región del espacio tan densa que ni siquiera la luz pudiera escapar de su pozo gravitatorio. Con la teoría de la relatividad general de Einstein, estas bestias comenzaron a parecer posibles más allá de nuestra imaginación y con el tiempo se ganaron su vistoso nombre, acuñado por John Archibald Wheeler. Sin embargo, hubo que esperar hasta 1971 para que el Observatorio David Dunlap encontrara los primeros indicios sólidos de un agujero negro, concretamente en la constelación del Cisne.

Los astrofísicos y cosmólogos han tratado de desentrañar los misterios de estas regiones tan extrañas del espacio, pero hasta hace poco, las limitaciones técnicas hacían el trabajo extremadamente arduo. Por suerte, en 2016 anunciaron la primera detección de la historia de ondas gravitatorias gracias a los interferómetros de LIGO y dos años después VIRGO hizo lo propio. En ambos casos se trataba de las señas de identidad de pares de agujeros negros en colisión, fusionándose entre sí. La era de la astronomía de ondas gravitatorias se abría ante nosotros y tras esa puerta estaban las herramientas que hacían falta para diseccionar a los agujeros negros y sumergirnos en la información que, hasta entonces, estaba vedada a nuestro entendimiento. Pues bien. La última detección anunciada por LIGO y VIRGO ha encontrado algo que podría cambiar la forma en que entendemos los agujeros negros.

Sentando las bases

Antes que nada, cabe recordar que un agujero negro es, como decíamos al principio, una región del espacio-tiempo cuya altísima densidad ejerce tal fuerza gravitatoria a su alrededor que ni siquiera la luz es capaz de huir. Una vez cruza su horizonte de sucesos, es imposible escapar de él. Esta extrema gravedad se debe a que la masa del agujero negro deforma el espacio y, por lo tanto, teniendo en cuenta que espacio y tiempo están íntimamente relacionados por la teoría de la relatividad, deforma también el propio tiempo. Esta pincelada es, tan solo, una forma de ponernos en contacto con las extrañas implicaciones que tiene la existencia de una bestia gravitacional de tal calibre.

Por otro lado, las ondas gravitatorias son las perturbaciones del espacio-tiempo producidas cuando aceleramos una masa. Por ejemplo, cuando hacemos que dos objetos giren uno en torno. Al girar, en este caso se está cambiando constantemente la dirección del movimiento de esto objetos en lo que se conoce como aceleración centrípeta. Y sí, esto significa que, si cerramos los puños y comenzamos a hacer el molinete con ellos, haciendo girar uno en torno al otro, estaríamos produciendo ondas gravitatorias. El problema es que para masa tan ridículas como las de nuestros puños, las ondas se vuelven indetectables. Por eso suele hablarse de acelerar, no masas cualquiera, sino objetos masivos, como estrellas de neutrones o agujeros negros.

Pero ¿qué queremos decir por perturbaciones? La idea es imaginar el espacio como un cubo de Rubik elástico. Cuando una onda gravitacional lo atraviesa, a su paso, los pequeños cuadraditos que componen el cubo se comprimirán en la misma dirección de la onda para, a continuación, volver a expandirse. Así una y otra vez. Una comparación más sencilla, aunque menos precisa por reducir nuestro universo tridimensional a la planitud de una manta, es imaginar una lona elástica en la que dejamos un par de pesos que comienzan a girar uno en torno al otro. Ante este movimiento, se producirá una vibración de la propia lona como si fueran las ondas que aparecen al tirar una piedra al agua y que se propagarán alejándose de los dos objetos.

El problema es que, incluso para estos objetos supermasivos, esa distensión y contracción del espacio es tan minúscula que supone apenas una fracción de un átomo. Precisamente por eso, los detectores de LIGO y VIRGO tardaron tanto en detectar la primera, porque necesitaban ser extremadamente sensibles, y a la vez, no perturbarse ante motivos espurios. La solución fue construir grandísimos interferómetros. Podemos imaginarlo como dos tubos colocados unidos por el extremo en un ángulo recto, como si formaran una L cuyos dos palos midieran lo mismo, en torno a cuatro kilómetros cada uno. Desde el lugar donde estos tubos se unen, se proyecta un rayo de luz (concretamente láser), el cual se dividirá en dos para recorrer simultáneamente ambos tubos, rebotar en un espejo situado al final de estos, y emprender su viaje de vuelta para volver a coincidir donde los tubos de unen.

Pues bien, si los tubos tienen exactamente la misma distancia, es de esperar que la luz vuelva al detector tan sincronizada como salió. Recordemos que el láser, como la luz en general, es una onda electromagnética, y como onda que es tiene picos y valles, subidas y bajadas como las olas del mar. Lo esperable es que cada pico de uno de los haces que lleguen al detector coincida con cada uno de los picos del otro, ya que, como hemos dicho, estaban perfectamente sincronizadas al empezar un viaje de, en teoría, exactamente la misma longitud. Si el interferómetro detectara un desfase entre estos picos respecto a las mediciones a las que está acostumbrado, por ligero que fuera, sería un indicio de que una onda gravitacional ha atravesado los tubos comprimiéndolos de forma desigual.

Ahora que sabemos qué es aproximadamente un agujero negro, las ondas gravitatorias y cómo se detectan, podemos hablar sobre lo que ha sucedido con GW190521, la fusión de agujeros negros detectada simultáneamente por los interferómetros de LIGO y VIRGO el 21 de mayo de 2019.

La mayor colisión detectada con ondas gravitacionales

El evento del que estamos hablando consiste en una recua de números descomunales que, si dedicamos algo de tiempo a pensar en ellos, harán que tiemble hasta la última de nuestras neuronas. Dos agujeros negros colisionaron hace 7 mil millones de años a unos 17 mil millones de años luz de la Tierra (esta aparente paradoja se debe a la propia dilatación del espacio entre nosotros y la colisión). Uno de ellos contaba con el equivalente a 66 masas solares, esto es sesenta y seis veces nuestro Sol. El otro hacía palidecer al primero con ni más ni menos de 85 masas solares. El resultado de la colisión fue la fusión de ambos en una bestia incluso mayor, con una masa equivalente a 142 soles como el nuestro. Por supuesto todo esto son números aproximados y esas casi nueve masas solares que nos faltan al sumarlos se han convertido, precisamente, en la energía en forma de ondas gravitacionales que hemos podido detectar.

Si no queremos profundizar más, podemos quedarnos con el hecho de que es la colisión más masiva detectada en la corta historia de la astronomía de ondas gravitacionales. Esto es especialmente determinante, porque las propiedades de las ondas gravitacionales de una colisión de este calibre permiten estudiar aspectos distintos que con sus hermanas más modestas. Hasta ahora, la frecuencia de las colisiones registradas permitía indagar sobre todo en las dos primeras partes de la colisión, la caída en espiral de un agujero negro hacia el otro, y la unión de ambos, por poderse observar con más claridad durante estos momentos de la colisión. Sin embargo, en GW190521 predomina la señal obtenida durante la última parte de la colisión, tras la unión. En este momento los agujeros negros ya son uno, pero tiene que “relajarse”, “que encontrar un equilibrio” si queremos verlo así.

No obstante, es importante entender que falta información sobre esta colisión, curiosamente y aunque suene paradójico, porque los agujeros negros eran notablemente mayores que cualquiera de los detectados hasta ahora con estos métodos. El motivo es que, aunque suene extraño, cuanto más grandes son los objetos que colisionan, menor es su frecuencia y la duración de la señal que nos llega. En este caso, apenas duró una fracción de segundo, lo cual complica su análisis. No obstante, podemos asumir que las masas indicadas son bastante aproximadas de la realidad.

Las de los dos agujeros negros iniciales se encuentran dentro de un grupo que recibe el nombre de agujeros negros estelares. Si una estrella es suficientemente masiva, puede colapsar al final de su vida produciendo un agujero negro. Así pues, los agujeros negros con menos de 100 masas solares se cree que surgen de este modo y por eso reciben el nombre de agujeros negros estelares. Frente a ellos están los agujeros negros supermasivos, con más de 100.000 veces la masa de nuestro Sol. Estos no pueden producirse por el colapso de estrellas, así que se plantean otros posibles orígenes.

Dos desiertos

Entre los estelares y los supermasivos están los agujeros negros de masa intermedia y, precisamente, el agujero negro resultante de GW190521 cae, con sus 142 masas solares, en el límite inferior de esta clasificación, siendo el agujero negro de masa intermedia más pequeño que hemos detectado. Más concretamente está entre las 100 y las 1.000 masas solares, que es un rango donde apenas habíamos encontrado agujeros negros. Una franja que ha sido llamada en ocasiones “el desierto de los agujeros negros”. Cuantos más especímenes encontremos dentro de esta horquilla de masas, más podremos saber sobre ellos para entender su relativa escasez.

Así que, si bien todavía no se tiene del todo claro cómo podrían surgir los agujeros negros supermasivos (lo cual no significa que no existan hipótesis serias) esta detección apoya la idea de que los agujeros negros de masa intermedia podrían originarse de la fusión de agujeros previos, como ha sucedido en el evento GW190521. Pero hay una última cuestión, posiblemente la que ha suscitado la mayor parte de titulares sensacionalistas aludiendo a “nueva física” o sugiriendo que estas ondas gravitacionales “no deberían existir”. Se trata de un segundo desierto en la escala de masas de los agujeros negros.

La física estelar no es ni de lejos tan intuitiva como puede parecer. Suelen contarnos que en su interior se producen reacciones de fusión, uniendo átomos de hidrógeno para formar helio o incluso elementos mucho más pesados, como el hierro. Parte de la energía liberada por estos procesos se emite como fotones, partículas de luz que tras decenas de miles de años es capaz de escapar del Sol. La propia presión ejercida por estos fotones es la que contrarresta la gravedad de la estrella, evitando que colapse sobre sí misma. Cuando se agota el hidrógeno y la estrella no puede continuar con sus reacciones de fusión, la presión de radiación ejercida por los fotones desaparece y la gravedad gana el pulso. El problema es que existen multitud de factores que afectan a esta contienda entre fuerzas, factores que determinarán si la estrella se convertirá en una enana blanca, si alcanzará a transformarse en una estrella de neutrones o si su supernova dejará tras de sí un agujero negro como los que nos ocupa.

Precisamente por esta complejidad que a veces pasamos por alto, no solo existe una masa estelar mínima por debajo de la cual no se producen agujeros negros, sino que hay una franja a medio camino donde tampoco cabe esperar que surjan. Hablamos concretamente (y de forma muy aproximada) de las estrellas con entre 65 y 130 masas solares. En estos casos, hacia el final de la vida de estas estrellas supermasivas, sus fotones se vuelven inestables y desintegran en otras partículas, concretamente en pares formados por un electrón y un positrón. Esto reduce la presión de radiación, pero no lo suficiente como para que toda la estrella colapse bajo su peso, sino que produce explosiones en las que va perdiendo gran parte de su masa. De este modo, la estrella termina reduciendo tanto su tamaño que no se forme un agujero negro.

¿Cómo es posible?

Pues bien, teniendo esto en cuenta, no es de esperar encontrarse agujeros negros de entre 65 y 130 masas solares, precisamente como los detectados por LIGO-VIRGO. En el caso del agujero negro estelar de 66 masas solares, puede tratarse de una excepción o una imprecisión bien sea en su tamaño, o en el rango calculado para la inestabilidad de pares, que así se llama el fenómeno responsable de este segundo desierto. No obstante, es más difícil explicar de este modo a su hermano mayor, con 85 masas solares.

Esto, por supuesto, no significa que tales agujeros negros no deban existir, sino que su origen puede ser diferente al que dábamos por hecho. Las dos explicaciones principales son las siguientes. La primera apunta a que las estrellas que dieron lugar a estos agujeros negros eran a su vez producto de la unión de dos estrellas. Esto, en teoría, podría resolver algunos problemas de la desintegración por pares bajo las condiciones adecuadas. La segunda opción es que cada uno de estos agujeros negros es el resultado de una fusión previa de agujeros negros estelares que sí eran menores de 65 masas solares.

Una forma de salir de dudas es analizar la forma en que rota el agujero negro resultante y la información contenida en las ondas gravitacionales sobre cómo rotaban sus predecesores. Por desgracia, como hemos dicho, la señal es bastante corta y complica deducir estos datos. En cualquier caso, puede que la respuesta se encuentre en una mezcla, donde solo el mayor de los dos agujeros negros fue producido de este modo. También es cierto que cabe la posibilidad de que nuestros cálculos sobre la inestabilidad de pares sean incorrectos por no estar teniendo en cuenta determinados procesos de nucleosíntesis estelar, pero no parece la opción más plausible.

Todas las explicaciones parecen tener su contraargumento, por lo que es todavía pronto para dar una respuesta contundente. Plantear su origen como unión de agujeros negros dependerá de que haya suficientes agujeros negros suficientemente cerca como para que se encuentren con relativa frecuencia. Lo más natural es pensar en cúmulos de estrellas que, al colapsar, dejan agujeros negros bastante próximos. El problema es que, tras fusionarse, sabemos que estos tienden a salir despedidos de los cúmulos, complicando una segunda unión.

Una posible solución es que GW190521 haya tenido lugar cerca de un núcleo galáctico, donde se espera que haya una cantidad relativamente grande de agujeros negros. Curiosamente, parece haberse detectado una señal electromagnética procedente de una ubicación cercana y compatible con este escenario, pero no podemos estar seguros de su correlación. Dicho con otras palabras: hará falta seguir investigando y encontrar más ejemplos de estos extraños agujeros negros que no son ni muy grandes ni muy pequeños, para así entender cómo surgen.

Así que, como de costumbre, el nuevo descubrimiento despierta muchas más preguntas que respuestas. No es algo que contradiga las teorías de la relatividad ni pone en jaque todo lo que sabemos sobre física. No habrá que escribir nuevos libros y, desde luego, los investigadores no están tirándose de los pelos desquiciados. Hay posibles explicaciones coherentes con lo que sabemos sobre nuestro universo. Así que disfrutemos de la maravilla que es poder aprender sobre una catástrofe astronómica ocurrida en el pasado lejano, en las profundidades del espacio y ante la que nosotros parecemos tan solo una mota de polvo en un cosmos que nos sobrepasa.

QUE NO TE LA CUELEN:

• No estamos ante indicios de nueva física ni hay por qué quemar los libros de texto. Estas ondas gravitacionales eran esperables y, simplemente, aportan nueva información sobre el origen de los agujeros negros.
• Estos agujeros negros no son especialmente grandes. Lo son si los comparamos con todos los registrados a través de ondas gravitacionales o dentro de los agujeros negros estelares, pero se encuentran entre los más pequeños que hay en el cosmos, donde existen agujeros supermasivos con cientos de miles de veces la masa de nuestro Sol.

REFERENCIAS (MLA):

• Abbott, R. et al. “GW190521: A Binary Black Hole Merger With A Total Mass Of 150M⊙”. Physical Review Letters, vol 125, no. 10, 2020. American Physical Society (APS), doi:10.1103/physrevlett.125.101102. Accessed 5 Sept 2020.
• Abbott, R. et al. “Properties And Astrophysical Implications Of The 150 M ⊙ Binary Black Hole Merger GW190521”. The Astrophysical Journal, vol 900, no. 1, 2020, p. L13. American Astronomical Society, doi:10.3847/2041-8213/aba493. Accessed 5 Sept 2020.