Un método gallego para descubrir los ancestros de los agujeros negros

Un equipo formado por personal del Instituto Galego de Física de Altas Enerxías (Igfae) y la Universidad China de Hong Kong (CUHK) acaba de publicar en The Astrophysical Journal un artículo en el que se propone un nuevo método para reconstruir el árbol genealógico de los agujeros negros. Uno de los autores principales de este trabajo es Juan Calderón Bustillo, investigador Ramón y Cajal en el Igfae, centro mixto de la Universidade de Santiago de Compostela (USC) y la Xunta de Galicia.

El enfoque de esta investigación ofrece una manera de inferir las propiedades de los agujeros negros progenitores de las fusiones protagonizadas por estos fenómenos cósmicos, uno de los eventos más brutales que se pueden observar en el universo. Fruto de estas fusiones se generan las ondas gravitacionales, una especie de arrugas en el espacio tiempo o temblores del universo primigenio que viajan a la velocidad de la luz, y que en la actualidad pueden detectarse a través de los detectores desarrollados por colaboraciones internacionales como Virgo, Kagra o LIGO, en la que participa el Igfae.

Mediante el análisis de las ondas gravitacionales es posible obtener información sobre los agujeros negros fusionados, como sus masas, el sentido de su giro y otras pistas sobre sus orígenes. En la mayoría de los casos, los agujeros negros se forman a partir de los restos de estrellas masivas que han colapsado bajo su propia gravedad, una vez agotan su combustible nuclear.

Sin embargo, según las teorías astrofísicas, existe una especie de vacío en el cual los agujeros negros no pueden formarse directamente a partir del colapso estelar, y que se conoce como «intervalo de masas de inestabilidad de pares». Se cree que los agujeros negros dentro de este intervalo se originan a partir de fusiones jerárquicas, es decir, fusiones sucesivas de agujeros negros ancestrales más pequeños, cada uno de los cuales forma un agujero negro progresivamente más masivo. Conforman, de esta manera, una especie de árbol genealógico en el que este artículo pretende sumergirse.

Aunque esta explicación parece sencilla, el proceso no es trivial. Para que un agujero negro participe en fusiones sucesivas, debe permanecer ligado a su entorno anfitrión, como una galaxia o un cúmulo estelar denso. Sin embargo, los agujeros negros producidos en fusiones adquieren una velocidad de retroceso, o patada, que puede alcanzar miles de kilómetros por segundo, a menudo suficiente para expulsarlos de la mayoría de los entornos anfitriones. Por ejemplo, en los cúmulos globulares, que se consideran anfitriones clave para las fusiones de agujeros negros, la velocidad de escape es de solo unos 50 kilómetros por segundo.

Aunque el giro y la masa de los agujeros negros pueden medirse directamente a partir de las señales de ondas gravitacionales, la velocidad de retroceso depende de las propiedades de los antepasados de los agujeros negros en fusión, que no se pueden observar directamente.

«Con este tipo de estudio, no sólo podemos adivinar los antepasados de los agujeros negros que observamos. También podemos adivinar en qué tipo de entorno (¡si es que lo hay!) pudo tener lugar este proceso. Si ningún entorno es viable y estos agujeros negros no pueden ser el resultado de fusiones anteriores, quizá tengamos que volver a plantearnos la evolución estelar o considerar que quizá no estemos observando agujeros negros en absoluto», afirma Juan Calderón.

El equipo aplicó esta técnica a la misteriosa señal de ondas gravitacionales GW190521, que implica a un agujero negro que cae en ese vacío de masas prohibido. «Hemos descubierto que, según las propiedades que ciertos grupos han encontrado para este agujero negro, es poco probable que se formara en un Cúmulo Globular debido a las grandes patadas que este agujero negro puede haber heredado», afirma Carlos Araújo, estudiante de máster en el Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) y antiguo estudiante de licenciatura en la USC, también autor del artículo.

«De hecho, los entornos con mayores velocidades de escape, como los Núcleos Galácticos Activos o los Cúmulos Estelares Nucleares parecen más plausibles, debido a su capacidad para retener agujeros negros con grandes velocidades de escape. Esto concuerda con los estudios existentes que sugieren que GW190521 se produjo en un Núcleo Galáctico Activo», afirma Henry Wong, antiguo estudiante de CUHK y ahora científico de datos en el sector privado.

«Descubrimos que podemos acceder a la patada de nacimiento del agujero negro porque está estrechamente ligada a su espín. Por desgracia, hoy en día no podemos medir los espines con mucha precisión, lo que constituye uno de los factores limitantes de nuestro estudio. A medida que LIGO y Virgo sigan aumentando su sensibilidad y entren en funcionamiento nuevos detectores de tercera generación, nuestro método proporcionará información más detallada sobre la genealogía de los agujeros negros que observamos», afirma Ania Liu, coautora del estudio y estudiante de doctorado en la CUHK.