Los cient¨ªficos captan una enorme onda gravitacional que no deber¨ªa existir

Dos detectores separados por miles de kil¨®metros han captado la misma se?al que corresponde a la fuente de ondas gravitacionales m¨¢s potente jam¨¢s observada. Tal y como predijo Albert Einstein hace m¨¢s de un siglo, los fen¨®menos m¨¢s violentos del cosmos producen estas ondulaciones del espacio-tiempo ¡ªel material del que est¨¢ hecho el universo¡ª que viajan a la velocidad de la luz en todas direcciones como si fueran las ondas de una piedra tirada a un estanque. Al llegar a la Tierra tras recorrer inabarcables distancias c¨®smicas, estas ondas son tan d¨¦biles que Einstein era esc¨¦ptico de que pudieran captarse.

La se?al fue captada el 21 de mayo de 2019 y dur¨® apenas una d¨¦cima de segundo. Tras m¨¢s de un a?o de estudio, el patr¨®n que esta caracter¨ªstica vibraci¨®n produjo en los haces de luz l¨¢ser de los detectores LIGO, en EE UU, y Virgo, en Italia, ha permitido reconstruir c¨®mo se produjo este fen¨®meno.

La onda viene de la fusi¨®n de dos agujeros negros y ser¨ªa la mayor captada hasta la fecha, seg¨²n explican este mi¨¦rcoles en dos estudios los casi 2.000 cient¨ªficos de 19 pa¨ªses que trabajan con los datos de ambos detectores. El choque se produjo hace unos 7.000 millones de a?os ¡ªantes que la formaci¨®n del sistema solar y la Tierra¡ª cuando un agujero negro con una masa 85 veces superior a la de nuestro Sol choc¨® con otro equivalente a unas 66 estrellas solares. Lo interesante es que con las leyes de la relatividad general en la mano y lo que se conoce de la f¨ªsica de las estrellas este fen¨®meno es imposible de explicar: o bien hay que cambiar la teor¨ªa de evoluci¨®n estelar o bien los agujeros negros involucrados tienen un origen desconocido y a¨²n misterioso.

Este es el descubrimiento m¨¢s importante en este campo desde que en 2016 se descubriera la primera onda gravitacional

Los agujeros negros son objetos tan densos que su fuerza de gravedad atrae cualquier cosa que caiga en sus fauces, incluida la luz, por eso son invisibles. Tras el choque, estos dos monstruos se devoraron uno a otro y formaron un agujero negro con una masa de 142 soles. El resto de masa se transform¨® en energ¨ªa que sali¨® despedida en todas direcciones como la onda expansiva de una bomba que viaj¨® a la velocidad de la luz curvando a su paso el espacio y el tiempo. Los interfer¨®metros l¨¢ser de LIGO y Virgo, que funcionan como una red de pescar kilom¨¦trica hecha con haces de luz l¨¢ser capaces de detectar vibraciones en el espacio-tiempo hasta 10.000 veces menores que el di¨¢metro de un ¨¢tomo, captaron la se?al, ya debilitad¨ªsima, 7.000 millones de a?os despu¨¦s.

Este es probablemente el descubrimiento m¨¢s importante en este campo desde que en 2016 se descubriera la primera onda gravitacional y los impulsores de LIGO ganasen el Nobel de F¨ªsica tan solo un a?o despu¨¦s. Toni Font, f¨ªsico te¨®rico de la Universidad de Valencia y colaborador de Virgo, explica por qu¨¦: ¡°Hasta ahora todas las fusiones de agujeros negros y estrellas de neutrones que se hab¨ªan captado eran sabor vainilla; gustaban a casi todos los f¨ªsicos porque se correspond¨ªan con lo que era de esperar¡±. La fusi¨®n anunciada hoy es como un helado de fabada: raro, posible y no gusta a muchos porque les saca de su zona de confort. ¡°Hoy por hoy no estamos preparados para comprender este fen¨®meno y no podemos responder las muchas preguntas que abre¡±, explica Font. ¡°Lo m¨¢s interesante es que el resultado de esta fusi¨®n es un agujero de 142 masas solares, algo jam¨¢s observado y que por ahora tampoco podemos entender¡±, resalta.

En el mundo de los agujeros negros hay dos grandes categor¨ªas. La primera la forman los de masa estelar, que se forman cuando una estrella muere y su cad¨¢ver se derrumba sobre s¨ª mismo para formar el agujero negro. Estos no suelen superar unas pocas decenas de masas solares. La segunda clase son agujeros negros supermasivos, monstruos descomunales con masas de cientos de miles de estrellas como el Sol que se agazapan en el centro de las galaxias, incluida la nuestra. Entre estos dos tipos hay un enorme espacio vac¨ªo. Apenas se conocen agujeros negros en el rango intermedio entre los dos tipos mencionados.

Seg¨²n la f¨ªsica estelar y la relatividad de Einstein, una estrella de entre 65 y 120 masas solares que se muere, explota como una bomba sin dejar ning¨²n rastro. Por eso los dos agujeros negros intuidos por los detectores, de 85 y 66 masas solares, y su producto final, no pueden ser resultado de una muerte estelar: deben de tener un origen alternativo que permite m¨²ltiples explicaciones, desde las m¨¢s conservadoras hasta algunas que podr¨ªan merecer otro Nobel y revolucionar nuestra comprensi¨®n del universo.

Los cient¨ªficos de la colaboraci¨®n analizan la se?al y reconstruyen con potentes ordenadores todos los fen¨®menos que podr¨ªan haberla producido, jugando siempre seg¨²n las reglas de la relatividad general de Einstein. En dos estudios publicados hoy en Physical Review Letters y Astrophysical Journal Letters, aseguran que la explicaci¨®n m¨¢s probable es que se trate de una fusi¨®n. ?C¨®mo se han podido formar dos agujeros negros te¨®ricamente imposibles? ¡°O bien la teor¨ªa de evoluci¨®n estelar que manejamos es incompleta y tenemos que reescribirla, o bien los dos agujeros negros involucrados no provienen de estrellas que murieron, sino que se formaron por fusiones anteriores de agujeros negros m¨¢s peque?os¡±, explica Font.

La segunda opci¨®n ser¨ªa posible en ciertas regiones del universo conocidas como c¨²mulos globulares, esferas descomunales formadas por miles de estrellas. Muchas de ellas mueren y forman miles de agujeros negros que estar¨ªan lo suficientemente cerca como para encontrarse, atraerse, chocar y fundirse.

Las inc¨®gnitas sobre esta onda son mayores que con las anteriores. Normalmente dos agujeros negros que acercan sus ¨®rbitas paulatinamente hasta chocar producen ondas que duran m¨¢s tiempo y cuya frecuencia va aumentando en lo que los f¨ªsicos de LIGO y Virgo denominan un ¡°gorjeo¡±, que termina con un pico en alto. Los cient¨ªficos han traducido estas ondas a sonido para poder escucharlas en otras ocasiones. El gorjeo previo aporta gran parte de la informaci¨®n sobre las masas, rotaci¨®n o distancia de los dos agujeros negros. En esta ocasi¨®n no se ha podido captar el gorjeo previo, solo el instante final de la fusi¨®n, una d¨¦cima de segundo que oculta muchos de los detalles sobre qu¨¦ la produjo y c¨®mo, explica Font.

Este fen¨®meno permite desde las explicaciones m¨¢s conservadoras hasta algunas que podr¨ªan merecer otro Nobel y revolucionar nuestra comprensi¨®n del universo

Mucho m¨¢s improbables, pero tambi¨¦n m¨¢s estimulantes porque se adentran de lleno en lo desconocido, son dos explicaciones alternativas abordadas en el segundo estudio. La primera dice que estamos ante agujeros negros primordiales, co¨¢gulos de materia formados segundos despu¨¦s del nacimiento del universo tras el Big Bang ¡ªhace 13.700 millones de a?os¡ª y que estar¨ªan hechos de materia oscura. Para que el universo tenga el aspecto y el comportamiento que tiene, el 85% de toda la materia tiene que ser oscura, pero nunca se ha podido averiguar de qu¨¦ est¨¢ hecha. Conseguirlo ser¨ªa un hallazgo hist¨®rico, de Nobel.

En la d¨¦cada de los setenta, Stephen Hawking y Bernard Carr propusieron la existencia de estos agujeros negros tan diminutos que su masa no superar¨ªa a la de una monta?a; pero concluyeron que todos ellos se han evaporado ya. Posteriormente, los f¨ªsicos te¨®ricos Juan Garc¨ªa-Bellido, de la Aut¨®noma de Madrid, y S¨¦bastien Clesse, de la Universidad de Lovaina, propusieron que puede haber agujeros negros primordiales de decenas de masas solares y que juntos podr¨ªan constituir toda la materia oscura del universo, o al menos parte de ella.

El hallazgo de ahora resucita esta teor¨ªa, pero le para los pies al instante, pues los responsables advierten de que la posibilidad de que sean agujeros primordiales es muy, muy remota. ¡°Con estos datos no podemos afirmar que se trate de agujeros primordiales, solo que no podemos descartar esa posibilidad¡±, opina Garc¨ªa-Bellido. ¡°Probablemente necesitamos reanalizar los datos con otras suposiciones previas y esperar que se detecten m¨¢s fen¨®menos de este tipo¡±, resalta.

Otra de las posibilidades menos probables pero alucinantes es que el origen de esta onda gravitacional m¨¢s potente de la historia sea una cuerda c¨®smica, una especie de hilo unidimensional formado fracciones de segundo tras el Big Bang y que, por ahora, solo existe sobre el papel fruto de las teor¨ªas de algunos f¨ªsicos. ¡°Es extremadamente improbable que este evento haya sido producido por una cuerda c¨®smica¡±, escriben con cautela los cient¨ªficos en su segundo estudio para concluir que la opci¨®n m¨¢s probable es la que encaja con lo observado desde 2016: una fusi¨®n de dos agujeros negros. Volviendo a los helados, Font reconoce que a¨²n hay tantas inc¨®gnitas que lo m¨¢s prudente para la colaboraci¨®n cient¨ªfica ha sido quedarse con la vainilla, por ahora.

Puedes seguir a MATERIA en Facebook, Twitter, Instagram o suscribirte aqu¨ª a nuestra newsletter.