La fusión instantánea de dos agujeros negros provoca un enorme Gong cósmico

El intrigante gong cósmico que sonó como un enorme trueno en 2019 fue originado por la fusión instantánea de dos agujeros negros: en un denso cúmulo estelar, un agujero negro inicialmente libre fue capturado por el campo gravitatorio de otro agujero negro, provocando la señal GW190521.

Una de las señales gravitatorias más enigmáticas e interesantes observadas por LIGO y Virgo hasta la fecha, GW190521, puede haber sido generada por la violenta colisión de dos agujeros negros que orbitan 'libres' en un entorno galáctico extremadamente denso y poblado poco antes de la fusión.

Así lo afirma una nueva investigación publicada en la revista Nature Astronomy, que reinterpreta, con algoritmos de análisis originales, los datos puestos a disposición por la colaboración científica de LIGO, Virgo y KAGRA hace un año.

Gong cósmico

El 21 de mayo de 2019, los dos interferómetros LIGO en EE. UU. y Virgo en Italia, detectaron una señal gravitatoria extraordinariamente intensa pero extremadamente corta, una especie de gong cósmico muy potente, denominado GW190521, desde su fecha de detección.

Esa onda gravitatoria había sido generada por la fusión de dos agujeros negros a miles de millones de años luz de distancia, y de esa atronadora colisión se produjo un agujero negro de más de 150 masas solares, el agujero negro más masivo observado hasta la fecha por LIGO y Virgo.

GW190521 fue una observación excepcional y en muchos sentidos enigmática, que ha estimulado a los astrofísicos a imaginar posibles escenarios cósmicos, para explicar el mecanismo de formación del par binario y las características de su violenta fusión.

Nueva interpretación

Un equipo de investigadores de la Universidad de Turín y del Instituto italiano de Física Nuclear, junto con colegas de la Universidad Friedrich Schiller (FSU) en Jena (Alemania), ha interpretado ahora la naturaleza enigmática de GW190521.

" GW190521 se analizó inicialmente como la fusión de dos agujeros negros pesados que giran rápidamente y se acercan entre sí a lo largo de órbitas casi circulares ", explica Rossella Gamba, autora principal del estudio, "pero sus peculiaridades nos llevaron a proponer otras posibles interpretaciones.”

“La forma y la brevedad –menos de una décima de segundo– de la señal asociada con el evento, nos llevan a plantear la hipótesis de una fusión instantánea entre dos agujeros negros, que ocurrió en ausencia de una fase en espiral”, comenta a su vez Alessandro Nagar, otro de los investigadores, de la división INFN de Turín.

En un cúmulo estelar

Un escenario astrofísico alternativo compatible con las peculiares características de GW190521 podría ser el de una fusión entre dos agujeros negros que se produjo en un denso cúmulo estelar, donde un agujero negro inicialmente libre fue capturado por el campo gravitatorio de otro agujero negro.

En un sistema binario formado de esta manera, los agujeros negros pueden fusionarse más rápidamente y seguir trayectorias altamente excéntricas, señalan los investigadores.

Un encuentro dinámico

Los sistemas binarios compuestos por agujeros negros pueden formarse a través de varios procesos astrofísicos, aclaran los investigadores.

La mayoría de los agujeros negros detectados por LIGO y Virgo son de origen estelar: se originaron a partir del colapso de los núcleos de estrellas masivas en sistemas binarios aislados.

Se espera que los sistemas formados de esta manera se unan a lo largo de órbitas circulares, porque la posible excentricidad de la órbita (que expresa cuánto se desvía del círculo perfecto) se reduce por la liberación de energía a través de ondas gravitacionales durante el inicio de la coalescencia.

Órbitas excéntricas

Sin embargo, la fuente de GW190521 puede haberse comportado de manera diferente. En la hipótesis propuesta por el equipo de Turín y Jena, las órbitas de los dos agujeros negros en colisión serían en realidad muy excéntricas, es decir, no circular.

“Al desarrollar modelos precisos utilizando una combinación de métodos analíticos de última generación y simulaciones numéricas, descubrimos que una fusión altamente excéntrica en este caso explica la observación mejor que cualquier otra hipótesis planteada anteriormente. ¡La probabilidad de error es 1:4300!”, comenta Matteo Breschi, coautor del estudio.

Por lo tanto, GW190521 puede ser el primer encuentro dinámico de agujeros negros observado. Siempre se pensó que tales eventos eran muy raros, pero eso hace que el descubrimiento sea aún más importante.

Conclusión

Esta hipótesis también podría explicar las masas inusualmente altas de los agujeros negros 'padres' observados: en entornos densos, estos agujeros negros pueden experimentar múltiples fusiones y su masa crece después de cada colisión.

En resumen, concluyen los investigadores, la fusión de dos agujeros negros como consecuencia de una colisión directa, por lo tanto no precedida por la típica espiral que se observa en la tendencia de las señales reveladas hasta ahora por los interferómetros gravitacionales, podría ser una de las formas en que ocurren estos violentos fenómenos astrofísicos.