Recreación artística que da colisión de buracos negros que deu pé ao buraco masivo detectado. Créditos: Mark Myers, ARC Centre of Excellence for Gravitational Wave Discovery (OzGrav).
Recreación artística que da colisión de buracos negros que deu pé ao buraco masivo detectado. Créditos: Mark Myers, ARC Centre of Excellence for Gravitational Wave Discovery (OzGrav).

As claves do achado, con participación galega, do “buraco negro imposible”

O Instituto de Física de Altas Enerxías de Santiago forma parte da colaboración internacional que detectou un misterioso buraco de "masa intermedia"

Chámanlle o “buraco negro imposible”, porque procede da colisión de dous buracos negros situados nun rango de masas no que, en teoría, non debería de existir. Pero detectouse, o que leva a científicos de todo o mundo a abrir unha chea de preguntas, desconcertados polo achado. E entre eles, están investigadores do Instituto Galego de Física de Altas Enerxías (IGFAE) de Santiago de Compostela, que forman parte da colaboración LIGO, un dos dous grandes grupos, xunto a VIRGO, que aliñaron os seus detectores para rexistrar o sinal GW190521, localizado a uns 17.000 millóns de anos luz da Terra.

O sinal detectouse a través das ondas gravitacionais producidas pola colisión dos buracos negros. Estas ondas son as leves ‘alteracións‘ no espacio-tempo que producen os fenómenos máis masivos do Universo, cunha magnitude e unha velocidade tan grande que poden modificar as distancias entre planetas. E a través dos grandes detectores LIGO e VIRGO desenvolvidos nos últimos anos é posible rexistralas na Terra. Este achado valeulle aos seus descubridores o premio Nobel de Física en 2017. Algúns dos membros da colaboración traduciron ao galego o documento no que se describe o fito publicado este venres, con algunhas das súas claves, e que aparecen resumidas aquí:

Que foi o que se observou?

O 21 de maio de 2019, os detectores Advanced LIGO e Advanced VIRGO observaron un sinal de onda gravitacional procedente da fusión dun par de buracos negros con propiedades extraordinarias. O sinal, chamado GW190521, tiña unha duración e unha frecuencia moito menores ca calquera dos sinais previamente detectados.

O tempo que dura un sinal detectado por estes instrumentos é inversamente proporcional á masa total do sistema. No caso de GW190521, este tempo foi de soamente 0,1 segundos, moito menor ca outras detectadas anteriormente. Do mesmo xeito, a frecuencia que o sinal acada cando chega ao seu pico de amplitude tamén é inversamente proporcional á masa do sistema. No caso de GW90521 esta frecuencia de pico foi de tan só 60 Hz, tamén moito menor ca outras previas, como por exemplo a primeira xamais detectada, GW150914.

O maior dos buracos ten arredor de 85 veces a masa do Sol mentres que o menor deles ten arredor de 66. Os dous buracos son máis masivos que calquera dos buracos negros detectados ata o de agora por LIGO e Virgo (antes da fusión). Ademáis, o menor dos buracos é máis masivo que moitos dos buracos negros remanentes formados nestas fusións.

No caso de GW190521, o buraco negro remanente nacido da fusión “pesa” arredor de 142 veces a masa do Sol , o que o fai de largo o buraco negro máis pesado nunca detectado por LIGO e Virgo. A masa deste buraco remanente é menor ca suma dos dous buracos que se fusionaron xuntos; a masa “que falta” foi convertida en enerxía en forma de ondas gravitacionais.

Por que este sinal é tan interesante?

As enormes masas dos buracos negros que xeraron GW190521 “retan o noso entendemento acerca de cómo se forman os buracos negros e propociónannos un fantástico laboratorio para entender como funciona a gravidade”, expoñen os científicos da colaboración.

Recreación dos dous buracos negros que deron pé ao buraco detectado (esquerda) a través das ondas gravitacionais. Fonte: LIGO/Caltech/MIT/R. Hurt (IPAC).
Recreación dos dous buracos negros que deron pé ao buraco detectado (esquerda) a través das ondas gravitacionais. Fonte: LIGO/Caltech/MIT/R. Hurt (IPAC).

Dúas categorías de buracos negros

Os astrónomos clasifican os buracos negros dacordo a súa masa en dúas grandes categorías, xa que se forman de distintas maneiras.

  • Por unha banda están os buracos “supermasivos”, con centos de miles e ata millóns de veces a masa do Sol, situados no centro de practicamente todas as grandes galaxias. A Vía Láctea, onde se sitúa o sistema solar,  acolle un buraco negro duns 4 millóns de veces a masa do Sol. O modo exacto no que estes monstros se forman é un misterio. Porén, o proceso de formación seguramente comezou cando o Universo era moito máis novo, o que daría tempo para que estes obxectos medrasen o suficiente.
  • Por outra banda existen os buracos negros de masa estelar. Crese que se forman cando as estrelas colapsan sobre sí mesmas, tras sufrir unha explosión chamada Supernova. Os buracos negros de masa estelar teñen masas que van dende varias unidades ata decenas de veces a masa do Sol. As deteccións de LIGO-Virgo ata o de agora, correspondíanse con fusións de parellas destes buracos.

O misterio dos buracos negros de masa intermedia

Porén, no medio dos dous grupos anteriores “atópase o misterioso reino dos buracos negros de masa intermedia, con masas entre 100 e 100.000 veces a masa do Sol”, apuntan os físicos. Ata o de agora non se fixeran observacións concluíntes deste tipo de obxectos, aínda que existen varias teorías de como se poderían formar. Mais a caza destes esvaradíos obxectos vólvese máis prometedora a medida que os telescopios e os detectores de ondas gravitacionais van mellorando.

O interese nesta poboación de buracos negros está relacionado cun dos crebacabezas máis fascinantes e complexos da astrofísica e a cosmoloxía: a orixe dos buracos negros supermasivos, que poderían xurdir da fusión destes buracos de masa intermedia.

Co coñecemento que existe sobre a o funcionamento interno das estrelas masivas, e
de como se forman os buracos negros, crese que buracos negros de masas entre 65 e 130 veces a do sol non se poden formar do colapso dunha estrela. Deste xeito, GW190521 bota por terra o que se agardaba.

Por un lado, o buraco negro máis grande encaixa perfectamente neste “rango prohibido”. E por outro, o resultado da colisión pode clasificarse como un “buraco negro de masa intermedia”. A observación de GW190521 suxire que, ou ben as estrelas poden formar buracos negros pesados, ou ben que algúns buracos negros de masa estelar se forman doutro xeito, quizais como resultado da previa colisión de dous buracos negros máis lixeiros. Este segundo escenario require que os buracos negros se formen en contornas especiais, nas que haxa outros buracos negros próximos cos que poder fusionarse. Segundo os astrónomos, algúns exemplos destes entornos podrían ser cúmulos estelares densos e discos de núcleos galácticos activos. A observación de GW190521 suxire que o reino dos “buracos negros de masa intermedia” podería estar poboado en parte por productos de fusións de “buracos negros de masa estelar”.

A interpretación teórica sobre o funcionamento da gravidade baséase na Teoría Xeral da Relatividade, proposta por Albert Einstein en 1915. Os físicos fan uso desta teoría para predicir as ondas gravitacionáis emitidas durante as fusións de buracos negros. Ao mesmo tempo, estas prediccións úsanse para axudar a analizar os datos recollidos polos detectores LIGO e Virgo. Pola outra banda, as observacións de ondas gravitacionáis poden usarse para poñer a proba as predicións da teoría e buscar indicios de inconsistencias cos postulados de Einstein, que poidan a apuntar a teorías alternativas da gravidade. Isto non é nada novo realmente, xa que as observacións previas de LIGO e Virgo xa teñen sido usadas para poñer a proba a relatividade xeral.

Que ten GW190521 de especial?

As ondas gravitacionais divídense en tres tramos, ou fases: a “inspiral” (ou espiral cara a dentro) durante a cal os dous buracos negros mantéñense separados orbitando un arredor do outro a medida que se aproximan; a “fusión” durante a cal os dous buracos negros se unen para formar un buraco negro distorsionado; e o “ringdown” (ou relaxamento) na cal o buraco negro que acaba de nacer “timbra” como unha campá ata chegar a súa forma final.

Os sinais das fusións de buracos negros pódense observar nos datos de LIGO e VIRGO durante distintos tramos de tempo, e pican a distintas frecuencias, dependendo das masas dos buracos. Como resultado, os detectores poden observar distintos tramos do sinal dependendo das masas dos buracos. Cando éstes son lixeiros, obsérvanse con máis claridade as fases de inspiral e fusión. As altas masas dos buracos que produciron GW190521 dánnos unha oportunidade única de estudar as últimas fases da fusión e o “ringdown” da onda gravitacional.

Tal e como aconteceu co resto de fusións de buracos negros observadas ata o de agora, a Relatividade Xeral pasou tódolas probas ás que foi sometida por GW190521. Unha destas probas consistíu en analizar a parte de “ringdown” do sinal separadamente da parte de fusión para comproba se estas eran consistentes unha ca outra. Tamén se fixeron probas buscando detalles no sinal propostos por teorías alternativas á Relatividade Xeral, e para poñer a proba hipóteses alternativas para a fonte do sinal (a parte de buracos negros). Ningunha destas probas puido contradicir a interpretación de que GW190521 provén da fusión de dous buracos negros, producida de modo acorde ca física descrita pola Relatividade Xeral de Einstein.


Referencias:

GW190521: A colisión de buracos negros máis masiva xamais observada (en PDF).

– GW190521: A Binary Black Hole Merger with a Total Mass of 150M (Publicado en Physical Review Letters).

– Properties and Astrophysical Implications of the 150 M Binary Black Hole Merger GW190521 (Publicado en The Astrophysical Journal Letters).

DEIXAR UNHA RESPOSTA

Please enter your comment!
POLÍTICA DE COMENTARIOS:

GCiencia non publicará comentarios ofensivos, que non sexan respectuosos ou que conteñan expresións discriminatorias, difamatorias ou contrarias á lexislación vixente.

GCiencia no publicará comentarios ofensivos, que no sean respetuosos o que contentan expresiones discriminatorias, difamatorias o contrarias a la ley existente.

Please enter your name here

Este sitio emprega Akismet para reducir o spam. Aprende como se procesan os datos dos teus comentarios.