Cuando los colosos chocan

Ahí fuera, en el universo, hay objetos que apenas emiten luz, pero cuya gravedad brilla intensamente. Son cuerpos pequeños y muy pesados, y su materia tiene que estar girando, a poder ser muy rápido. Si todo eso se cumple entonces podemos ver su gravedad. No con nuestros ojos, desde luego: con máquinas específicamente diseñadas para ello. Esas máquinas son nuestros “ojos gravitatorios”, y nos permiten asomarnos a este otro universo, habitado por pequeños mundos que viven y mueren rodeados de silencio y, a menudo, de oscuridad.

La lista de objetos pequeños y muy pesados no es larga: en ellos la materia tiene que estar muy concentrada, mucho más que en la Tierra o en las estrellas normales. Digamos, para hacernos una idea, que necesitamos toda la materia del Sol compactada en una esfera de unos pocos kilómetros. Aunque parezca una locura, esos mundos existen: en ellos las partículas están tan cerca como en un núcleo atómico. Se llaman estrellas de neutrones, y conocemos decenas de ellas. Pero no tenemos por qué pararnos ahí: podemos intentar hacer un objeto más pequeño todavía, con la misma materia pero concentrada en un volumen menor. Si hacemos eso las leyes de la física nos dicen basta: conseguimos una esfera tan densa que la gravedad devora a la materia y se forma un agujero negro.

Los cuerpos cuya gravedad podemos “ver” son, pues, de esos dos tipos: estrella de neutrones y agujero negro. Hoy, por primera vez, se anuncia el descubrimiento de dos colisiones en las que una estrella de neutrones chocó con un agujero negro. En ambos casos las colisiones fueron totalmente oscuras: chocaron y el agujero negro se tragó a la estrella de neutrones sin ninguna ceremonia. Si hemos podido saber de ellas es gracias a nuestros “ojos gravitatorios”, los observatorios de ondas gravitacionales LIGO y Virgo. Ellos sí vieron lo que otros no pudieron ver: el estallido gravitatorio que se produce cuando los colosos chocan.

Fogonazos de gravedad

¿En qué consisten exactamente esos estallidos que nos permiten “ver” la gravedad? Para entenderlo hemos de pensar en la gravedad a la manera de Einstein: los objetos deforman el espacio-tiempo a su alrededor, haciendo que los átomos se acerquen o se alejen los unos de los otros. La deformación normalmente es pequeña, casi inapreciable, pero si la gravedad es muy intensa puede llegar a romper un cuerpo pequeño, porque separa tanto sus átomos que al final dejan de estar unidos.

Imaginemos ahora uno de estos cuerpos que deforman el espacio-tiempo dando vueltas en torno a otro. A medida que se mueve el espacio se comporta como un acordeón: se deforma cuando el objeto pasa y luego vuelve a la normalidad. Si el objeto se estuviera moviendo en línea recta simplemente “llevaría consigo” esa deformación, pero como está girando la deformación trata de seguirlo y se encuentra con que el objeto le ha hecho un quiebro: se ha ido en otra dirección. El resultado es que un cuerpo que gira expulsa hacia fuera estas “ondas de deformación del espacio”. Algo similar ocurre si metemos un dedo en el agua y empezamos a moverlo en círculos: nuestro dedo genera ondas que escapan hacia fuera. La diferencia es que en el caso del dedo las ondas están hechas de agua, mientras que para un objeto masivo girando en círculos las ondas están hechas de gravedad, y las llamamos ondas gravitacionales.

Una vez abandonan su objeto de origen, las ondas gravitacionales pueden viajar distancias muy grandes, y por donde pasan acercan o alejan un poco los átomos, igual que hacían originalmente. Éste es el efecto que nuestros “ojos gravitatorios” pueden localizar: podemos medir la distancia entre dos puntos para buscar si, de repente, se han alejado o acercado sin motivo aparente. Si tenemos esos dos puntos muy bien controlados y sabemos que ninguna otra cosa los puede haber movido, entonces quizá hayamos cazado una onda gravitacional. En esencia, esto es lo que son los observatorios de ondas gravitacionales: instrumentos muy precisos para medir la distancia entre dos puntos. Es así como podemos “ver” en la Tierra el rastro dejado por un objeto lejano que giraba en torno a otro. Ese rastro es nuestro fogonazo gravitatorio.

Identificar al culpable

En esta ocasión lo que se ha visto es dos casos de estrellas de neutrones que giraban en torno a agujeros negros. Es la primera vez que se encuentra esta combinación: ya es rutinario observar parejas de agujeros negros, y se han observado unas cuantas parejas de estrellas de neutrones, pero nunca se había encontrado un sistema que pudiéramos decir con seguridad que combinaba ambos cuerpos. Hace un año se publicó otra detección que podría ser un sistema agujero negro-estrella de neutrones, pero la masa de la supuesta estrella de neutrones era muy grande, y no quedaba claro si se trataba de una estrella de neutrones muy pesada o un agujero negro muy ligero.

Lo cual nos lleva a una pregunta importante: ¿cómo se sabe si los cuerpos que han emitido una onda gravitacional son agujeros negros o estrellas de neutrones? Al fin y al cabo, la onda gravitacional es sólo una pequeña compresión o distensión del espacio-tiempo, no una fotografía con todo lujo de detalles del objeto original. El secreto está en medir la masa de los objetos que produjeron la onda: sabemos que las estrellas de neutrones no pueden pesar más de 2,5 veces la masa del Sol, o de lo contrario su gravedad las transforma en agujeros negros. Por otro lado, no hemos visto ningún agujero negro de menos de 3,5 veces la masa del Sol. Así que a partir de la masa podemos deducir de qué tipo de objeto estamos hablando.

Por fortuna, las ondas gravitacionales sí transportan este tipo de información. Si somos capaces de reconstruir varias crestas y varios valles de la onda podemos deducir de su forma las masas de los objetos que estaban girando. En el caso de los dos sistemas que se anuncian hoy tenemos una pareja formada por objeto de 6 veces la masa del Sol, que sería un agujero negro, y otro de 1,5 veces la masa del Sol, que correspondería a la estrella de neutrones. En la segunda pareja el agujero negro pesaría 9 veces más que el Sol y la estrella de neutrones estaría alrededor de 2 veces la masa del Sol.

Un choque en la oscuridad

Hemos dicho antes que las dos colisiones que se anuncian hoy fueron oscuras. Normalmente, cuando un objeto choca con otro a grandes velocidades, la materia se calienta mucho y emite infrarrojos, luz o incluso rayos X. Esto no ocurre en las colisiones de agujeros negros, ya que éstos no son “esferas de materia”, sino más bien “regiones del espacio”. Cuando dos agujeros negros chocan las dos regiones se fusionan y se emite un gran fogonazo de ondas gravitacionales, pero no hay materia que pueda calentarse. La colisión, por lo demás, es silenciosa y oscura.

¿Qué ocurre cuando un agujero negro colisiona con una estrella de neutrones? La estrella de neutrones sí que está formada por materia, y podría calentarse, pero en el momento en que la materia esté dentro del agujero negro la luz estará atrapada con ella y dejaremos de verla. Así pues, la pregunta es: ¿se calienta lo suficiente la estrella de neutrones antes de entrar en el agujero negro? Las simulaciones por ordenador sugieren que en los instantes anteriores a ser engullida la estrella de neutrones es estirada por la gravedad del agujero negro y podría calentarse hasta temperaturas muy altas. ¿Es eso suficiente para que veamos algo?

La experiencia de estas dos primeras observaciones sugiere que no. Si esas estrellas de neutrones emitieron luz, no fue suficiente para que la viéramos desde la Tierra. Bien es cierto que ambos sistemas están muy lejos, a centenares de millones de años luz, así que la luz podría haberse perdido por el camino. Pero con lo que sabemos ahora mismo parece que ambas colisiones fueron oscuras. En pocos segundos las estrellas de neutrones fueron devoradas por los agujeros negros y no parece que brillaran apreciablemente. Eso sí, en sus últimos instantes enviaron al exterior una onda gravitacional especialmente intensa: el fogonazo gravitatorio que nos ha permitido encontrarlas.

Historia de un desencuentro

En conclusión, hoy hemos sabido por primera vez qué rastro gravitatorio deja una colisión entre estrellas de neutrones y agujeros negros. Dos parejas de objetos de apenas unos kilómetros chocaron a millones de años luz de nosotros y, a pesar de la distancia, hemos sido capaces de verlos. Tal es la potencia de esta técnica. Pero el hecho, por sí mismo, parece un poco anecdótico. ¿Tienen algún interés estas dos parejas? ¿Hemos aprendido algo gracias a ellas?

La respuesta es que hemos empezado a recorrer el camino que nos va a permitir aprender. Dos parejas son muy pocas, pero ya contienen pistas sobre el lugar en que vivieron ese agujero negro y esa estrella de neutrones. Una duda que siempre tenemos cuando observamos un choque entre dos objetos como éstos es cómo llegaron a estar en situación de chocar. Al fin y al cabo estamos hablando de objetos muy pequeños que se mueven por una galaxia, que es un espacio gigantesco. ¿Por qué llegaron a acercarse lo suficiente como para terminar colisionando?

Creemos que hay dos situaciones en las que esto puede pasar. La primera es que ambos objetos estaban unidos desde su nacimiento. Quizá fueron inicialmente dos estrellas que formaban un sistema doble, y cuando esas estrellas llegaron al final de su vida una se transformó en un agujero negro y la otra en una estrella de neutrones. Eso los pondría a los dos en la situación perfecta para terminar chocando: están muy cerca y unidos por una gravedad intensa. La segunda opción es que ambos vivan en una región muy concurrida de su galaxia. En esa región habrá un gran número de estrellas y todo tipo de objetos, y tiene sentido que de vez en cuando, por puro azar, un agujero negro pase cerca de una estrella de neutrones, terminen emparejados y, con el paso del tiempo, colisionen. En ambos casos nosotros sólo vemos el final: la colisión. Pero las ondas gravitacionales que emiten justo antes de chocar nos pueden dar alguna pista sobre cómo fue su vida anterior.

El truco está en ver cómo rota cada uno de los objetos, y ver si la rotación está alineada con la traslación, o sea, con el giro de un cuerpo en torno al otro. Si los dos objetos nacieron juntos, evolucionaron juntos y han llegado a la colisión después de esta larga historia, lo más normal es que la rotación y la traslación estén alineadas (como ocurre, por ejemplo, con las rotaciones y las traslaciones en el Sistema Solar). En cambio, si los dos objetos han nacido y vivido por su cuenta y sólo al final de su vida se han encontrado y han formado una pareja, lo normal es que las rotaciones vayan cada una por su lado y que no tengan nada que ver con la traslación.

Las ondas gravitacionales, afortunadamente, nos permiten medir estos detalles, porque las rotaciones de los objetos afectan a la onda que emiten. De las dos parejas que nos ocupan, una muestra indicios de que quizá se formó a partir de un encuentro fortuito; los datos de la otra no permiten distinguir entre un caso u otro. Sea como sea, estas dos parejas no son lo más importante. Lo interesante es que a medida que vayamos encontrando otras parejas como éstas vamos a ir acumulando estadística: veremos cuántas colisiones vienen de parejas que estuvieron juntas desde el principio y cuántas vienen de encuentros fortuitos. Cuando tengamos decenas o centenares de estas parejas podremos hacer “sociología” de las estrellas de neutrones y los agujeros negros. Ya no sólo estaremos aprendiendo sobre el final de sus vidas, sino también sobre cómo llegaron hasta ahí.

El descubrimiento que se anuncia hoy es, sobre todo, el principio de un camino. Es la demostración de que este tipo de parejas existen, y de que podemos detectarlas. Lo que queda por delante es la parte más apasionante: la de sacar más información de estos datos, la de conseguir ver estas colisiones también con luz y no sólo con gravedad. Eso va a ir ocurriendo a lo largo de los próximos años. Lo que hemos abierto hoy, que no es poco, es una línea directa con estos pequeños trocitos del cosmos.

QUE NO TE LA CUELEN

• Como suele pasar con técnicas que son extremadamente nuevas, las ondas gravitacionales nos dan, por ahora, una información limitada sobre los cuerpos que las emitieron. En este punto, lo que mejor identificamos en la señal de ondas gravitacionales es el hecho de que provienen de una colisión. El segundo dato que podemos medir bastante bien es la masa de los objetos que han colisionado. A partir de esas dos piezas de información, y de lo que sabemos sobre agujeros negros y estrellas de neutrones, somos capaces de reconstruir el sistema original y ofrecer una narración de cómo pudieron ser sus últimos instantes. La narración es sólida, pero es sano tener en mente los muchísimos detalles que se nos escapan: ¿se rompió la estrella de neutrones antes de ser devorada por el agujero negro? ¿Cuánto tiempo estuvieron orbitando uno en torno al otro antes de colisionar? ¿Cómo cambió el agujero negro al engullir a la estrella? Todas estas cosas las sabremos, tal vez, para futuras colisiones gracias a la mejora de los instrumentos.

REFERENCIAS

• Richard Abbott et al. Observation of Gravitational Waves from Two Neutron Star–Black Hole Coalescences. The Astrophysical Journal Letters, vol. 915, nº 1, artículo L5 (2021)