Representación artística de uno de los pasos previos a la fusión de dos agujeros negros.
NASA/CXC/A.Hobart
Una de las consecuencias de la teoría de la relatividad es la existencia de ondas gravitacionales, es decir perturbaciones del espacio-tiempo producidas por cuerpos masivos acelerados. Sin embargo estas ondas son difíciles de detectar ya que se necesita una masa considerable o una aceleración inmensa para producirlas y aun así la perturbación seria a escalas mínimas, por lo que su detección es una tarea casi imposible. Pero se hace hincapié en el casi ya que desde la década de los 60 se están realizando intentos por detectarlas.
Simulación por computadora de la colisión de dos agujeros negros.
Créditos: SXS (Simulating eXtreme Spacetimes) project
Durante la década de los 60 J. Webber en la Universidad de Maryland construyo el primer detector de ondas gravitacionales, logro resultados prometedores que motivaron a otros investigadores a construir sus propios detectores, aunque nunca pudieron replicar los resultados de Webber. El 11 de enero de 2016 hubieron rumores de una detección directa realizada en el LIGO. Un mes después de dichos rumores, el 11 de febrero de 2016 el equipo de LIGO confirmo al publico el hallazgo. Estas ondas gravitatorias fueron observadas por primera vez el 14 de septiembre de 2015, a las 5:51 a.m. ET por dos detectores LIGO separados intencionalmente con el fin de confirmar cualquier posible resultado, se le asigno el nombre GW150914 (GW, por onda gravitatoria, seguido del año, del mes y del día) . La fuente de emisión de GW150914 se identificó como la fusión en un agujero negro de un sistema binario de agujeros negros que tuvo lugar hace 1300 millones de años, a diferencia de las detecciones pasadas que fueron indirectas esta es la primera vez que se confirmaba la detección directa de ondas gravitatorias.
Sin embargo esta detección ocurrió sorpresivamente y no se sabia previamente de la existencia de los agujeros negros involucrados, fue la detección lo que revelo su ubicación, masa e incluso velocidad relativa al momento de la fusión. La masa y momento angular del agujero negro tras el suceso de fusión son compatibles con las propiedades de los dos agujeros negros antes de la fusión según predice la relatividad general. Esto constituye una prueba de la relatividad general en el régimen de campo fuerte, un régimen que anteriormente era imposible de sondear.
La diferencia con el suceso por ocurrir es considerable ya que por primera vez sabemos con antelación que ocurrirá la fusión, además que la masa de los agujeros negros involucrada es mayor y al saber el rango de fechas probables para que ocurra la fusión permitirá tener instrumentos preparados, calibrados y listos para hacer una medición mas exacta, a diferencia del caso de GW150914 donde otros instrumentos capaces de detectarlo estaban en mantenimiento.
Este próximo choque ocurrirá en el centro de la galaxia SDSS J1430+2303 ubicada a 1200 millones de años luz de la tierra, la masa combinada de ambos agujeros negros supera los 200 millones de masas solares (a diferencia de GW150914 que tenían una masa combinada de 66 masas solares antes de la fusión y unas 62 masas solares luego de la fusión). Se sabe de la existencia de estos agujeros negros gracias a los instrumentos de detección de ondas gravitacionales Ligo y Virgo. Además se ha podido apreciar con telescopios en el centro de esta galaxia fluctuaciones de luz compatibles con la presencia de agujeros negros supermasivos.
Su ubicación, distancia, masa y velocidad confirman que están destinados a colisionar. Hay casos donde decimos estas mismas palabras como en la inminente colisión de nuestra galaxia Vía Láctea y la galaxia de Andrómeda que sucederá en 4 mil millones de años y otros casos similares donde los tiempos suelen ser inabarcables, sin embargo la colisión en la galaxia SDSS J1430+2303 ocurrirá en un tiempo bastante corto. Se estima que seria como mínimo 95 días y máximo unos 1.100 días si es que los cálculos son correctos, aunque lo mas seguro que sea entre el tiempo medio y máximo de ese rango, los cálculos se irán refinando conforme pasen los días.
Como nunca antes se había podido anticipar de esta forma una colisión de agujeros negros en especial tomando en cuenta estas dimensiones, se espera poder seguir cada paso de la colisión y aprender así mucho sobre lo que ocurre antes, durante y después de una colisión de agujeros negros. No se sabe si la galaxia cambiara radicalmente tras el estallido, aunque el cambio seria lento debido a las dimensiones involucradas y el limite de la velocidad de la luz que impide que los efectos de esta colisión en la galaxia sean instantáneos. Desde la detección de GW150914 se han realizado un buen numero de detecciones adicionales, casi todas estas fusiones han sido pares binarios de agujeros negros con masas comparables a estrellas individuales. No es coincidencia ya que LIGO y Virgo tienen una sensibilidad por diseño para este rango de masas.
Ubicación de detectores de ondas gravitacionales
Las ondas más pesadas generadas por la colisión de agujeros negros supermasivos, en el rango de millones a miles de millones de veces la masa del Sol, están en un rango de frecuencia demasiado bajo para nuestros detectores actuales. Sin embargo la fusión de un par de agujeros negros supermasivos sería algo muy interesante de observar. Incluso si la tecnología actual no es capaz de detectar ondas gravitacionales de baja frecuencia, esperamos pueda captarse un inmenso estallido de ondas electromagnéticas en todos los espectros, tanto visibles como invisibles al ojo humano.
La información obtenida de este estallido podrían decirnos mucho sobre cómo se desarrollan estos eventos. No estamos del todo seguros de cómo los agujeros negros supermasivos se vuelven tan grandes, pero hay algunas pistas que sugieren que un mecanismo son las fusiones binarias como estas. A principios de este año, un equipo de astrónomos dirigido por Ning Jiang de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China describió un comportamiento realmente extraño en SDSS J1430+2303. Durante un período de tres años, las oscilaciones en el núcleo galáctico se hicieron cada vez más cortas, desde un período de tiempo de aproximadamente un año hasta solo un mes.
Los astrónomos recurrieron además a las longitudes de onda de los rayos X. Usando datos de una variedad de observatorios de rayos X, que cubren un período de tiempo de 200 días, un equipo dirigido por Liming Dou de la Universidad de Guangzhou en China ha intentado identificar firmas de alta energía que esperaríamos ver en un agujero negro supermasivo cercano binario en una órbita decreciente. Sí vieron variaciones en la luz de rayos X emitida por la galaxia, así como un tipo de emisión asociada con el hierro que cae sobre un agujero negro, que el equipo detectó con un nivel de confianza del 99,96 por ciento de dos instrumentos diferentes. Esta emisión se puede asociar con agujeros negros supermasivos binarios.
Es completamente seguro que tendremos mas información a medida que pasen los días y aunque es una lastima no contar con detectores lo suficientemente sensibles, quizás las observaciones por telescopios puedan permitirnos apreciar un fenómeno poco común y del que la ciencia podrá aprender muchísimo.
Fuentes:
- https://arxiv.org/abs/2201.11633v1
- https://www.ligo.caltech.edu/system/media_files/binaries/301/original/detection-science-summary.pdf