Hace mil millones de años, mucho antes del comienzo de la vida compleja en la Tierra, un agujero negro varias veces más masivo que el sol envolvió el núcleo colapsado de una estrella que alguna vez fue gigante. La inmensa colisión entre dos de los objetos más extremos del universo envió ondas gravitacionales a través del cosmos, como ondas en un enorme estanque.
En enero de 2020, esas antiguas ondas llegaron a las costas de nuestro sistema solar, donde fueron recogidas por equipos ultrasensibles en observatorios de Estados Unidos e Italia. Fue la primera vez que los astrónomos detectaban un agujero negro que se tragaba una estrella de neutrones.
Apenas 10 días después, los astrónomos detectaron el mismo fenómeno en otra parte del universo, un agujero negro devorando a su estrella de neutrones compañera.
Los descubrimientos, publicados el martes en Astrophysical Journal Letters, representan un avance clave en la astronomía gravitacional, un campo de investigación en ciernes en el que los científicos examinan pequeñas distorsiones del espacio-tiempo en busca de pistas sobre cómo funciona el universo.
Los investigadores han documentado previamente la colisión de dos agujeros negros y dos estrellas de neutrones chocando entre sí. Pero si bien los modelos teóricos habían predicho durante mucho tiempo que eran posibles las fusiones de agujeros negros, estrellas de neutrones y estrellas, pasaron décadas sin que se observara ninguna.
“Estos son eventos notables y hemos esperado mucho tiempo para presenciarlos. Así que es increíble capturarlos finalmente ”, dijo en un comunicado Susan Scott, física de la Universidad Nacional de Australia y coautora del estudio. “Ahora, hemos completado la última pieza del rompecabezas con las primeras observaciones confirmadas de ondas gravitacionales de un agujero negro y la colisión de una estrella de neutrones”.
El estudio, que involucró a más de 1,000 científicos, ayudará a los investigadores a aprender más sobre cómo se forman estos objetos y qué tan comunes son. Incluso podría ayudar a desbloquear algunos misterios de la formación de galaxias.
“Todavía hay mucho que no sabemos sobre las estrellas de neutrones y los agujeros negros: qué tan pequeños o grandes pueden llegar a ser, qué tan rápido pueden girar, cómo se emparejan en socios de fusión”, dijo la coautora del estudio Maya Fishbach, una investigadora de la NASA. Becario postdoctoral Einstein en Northwestern. “Con los datos de ondas gravitacionales futuras, tendremos las estadísticas para responder estas preguntas y, en última instancia, aprender cómo se fabrican los objetos más extremos de nuestro universo”.
La espiral de muerte estelar que los investigadores observaron es exactamente el tipo de evento violento de alta energía que genera ondas gravitacionales, que hacen que la estructura del universo se deforme y ondule a medida que se propaga a través del espacio-tiempo.
Teorizado por primera vez por Albert Einstein hace más de un siglo, las ondas gravitacionales no se detectaron físicamente hasta 2015, cuando las ondas generadas por dos agujeros negros en colisión fueron detectadas por las instalaciones del Observatorio de ondas gravitacionales del interferómetro láser (LIGO) en Louisiana y el estado de Washington. El descubrimiento histórico marcó el comienzo de una nueva era de la astronomía, permitiendo a los científicos aprovechar las ondas gravitacionales como herramientas de observación.
Los agujeros negros y las estrellas de neutrones se han estudiado durante décadas, pero muchas de sus propiedades siguen siendo un misterio. Ambos se forman después de que las estrellas masivas agoten su combustible. Algunos colapsan en agujeros negros donde la gravedad es tan intensa que ni siquiera la luz puede escapar. Otros dejan cadáveres de unos pocos kilómetros de diámetro y están compuestos casi en su totalidad por neutrones. Después de los agujeros negros, las estrellas de neutrones son los objetos conocidos más densos del universo.
Los científicos de LIGO y el observatorio de ondas gravitacionales Virgo en el norte de Italia, hogar de los instrumentos de observación más sensibles jamás construidos, detectaron la primera colisión de un agujero negro y una estrella de neutrones el 5 de enero de 2020. La naturaleza de las ondas les permitió inferir la masa y el estadio la ubicación. Determinaron que el agujero negro era aproximadamente nueve veces más pesado que el sol, mientras que la estrella de neutrones pesaba aproximadamente el doble que el sol, según el estudio.
La segunda fusión se detectó el 15 de enero de 2020. Se trataba de un agujero negro seis veces la masa del sol y una estrella de neutrones de aproximadamente 1½ veces la masa del sol.
En ambos casos, las estrellas de neutrones fueron consumidas por sus compañeros, según el estudio. No hubo destellos de luz asociados, y eso no fue una sorpresa. Probablemente no hubo ningún espectáculo de luces para ver, dijeron los investigadores, porque los agujeros negros eran lo suficientemente grandes como para tragar por completo las estrellas de neutrones.
“Estos no fueron eventos en los que los agujeros negros masticaron las estrellas de neutrones como el monstruo de las galletas y arrojaron pedazos y pedazos”, dijo Patrick Brady, profesor de la Universidad de Wisconsin en Milwaukee y portavoz de LIGO, en un comunicado. “Ese ‘dar vueltas’ es lo que produciría luz, y no creemos que eso haya sucedido en estos casos”.
La primera fusión se produjo a unos 900 millones de años luz de la Tierra, la segunda a unos mil millones, según los investigadores. Con estas dos observaciones documentadas, los astrónomos ahora estiman que aproximadamente una de esas fusiones por mes tiene lugar dentro de mil millones de años luz de la Tierra.
El estudio destacó otro punto intrigante: ninguna fusión tuvo lugar en la galaxia de la Vía Láctea, lo que plantea una serie de preguntas para los científicos en el futuro.
“Con este nuevo descubrimiento de fusiones de estrellas de neutrones y agujeros negros fuera de nuestra galaxia, hemos encontrado el tipo de binario que falta”, dijo Astrid Lamberts, investigadora del Observatoire de la Côte d’Azur, en Niza, Francia, en un comunicado. “Finalmente podemos comenzar a comprender cuántos de estos sistemas existen, con qué frecuencia se fusionan y por qué aún no hemos visto ejemplos en la Vía Láctea”.
