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Este agujero negro ha chocado con algo que no debería existir

Imagen conceptual de una estrella de neutrones
Imagen conceptual de una estrella de neutrones
Imagen: NASA

Un nuevo estudio publicado en The Astrophysical Journal Letters describe una colisión entre un agujero negro y un objeto cuya masa es tan inusual que aún está por identificar. En el momento de la colisión, el agujero negro tenía 23 veces la masa de nuestro Sol. El objeto desconocido solo 2.6 masas solares.

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¿Por qué esta diferencia es un problema? La respuesta la da el astrofísico de la Universidad Northwestern Vicky Kaloger y uno de los autores del estudio. Las dos opciones más lógicas para el objeto más pequeño son que se trate de un agujero negro o una estrella de neutrones (el remanente súper denso de una explosión estelar), pero ambos casos son realmente inusuales. Un agujero negro de 2.6 masas solares sería el más pequeño registrado (el agujero negro más pequeño conocido hasta la fecha es de 5 masas solares). Por su parte, una estrella de neutrones de esa masa sería la más grande registrada (las estrellas de neutrones más pesadas tienen entre 2.3 y 2.4 solares masas). Cualquiera de las dos opciones es algo que los astrónomos nunca han visto antes. De hecho, podría representar una clase completamente nueva de objetos densos y compactos.

“Es un descubrimiento impactante porque se trata de un objeto con una masa que no esperábamos”, explicó Imre Bartos, astrofísico de la Universidad de Florida y coautor del nuevo estudio en un correo electrónico a Gizmodo. “Pensábamos que esta categoría de objetos compactos de entre 2,2 y 5 masas solares estaba deshabitada hasta ahora”, dijo en referencia a la masa.

“En mi opinión, la parte más interesante de este estudio es la detección de un objeto en esta ‘brecha de masa’, que es una especie de tierra de nadie entre la estrella de neutrones más pesada y la masa de agujeros negro más ligeras que hemos medido, comenta Thankful Cromartie, astrofísica de la Universidad de Virginia y del Observatorio Nacional de Radioastronomía que no participó en el nuevo estudio.“Desafortunadamente, es imposible decir cuál de los dos es porque la deformación o estiramiento de la estrella de neutrones, que normalmente es detectable en las fusiones de estrellas de neutrones, queda ocultada por la diferencia de masa de esta fusión en particular”.

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Dicho esto, la evidencia observacional disponible y las predicciones teóricas de masas de estrellas de neutrones aceptables indican que es muy probable que este objeto sea un agujero negro muy ligero. Si resultara ser una estrella de neutrones tendríamos que reconsiderar radicalmente la forma en que la materia se comporta a densidades extremadamente altas.

Los astrónomos han sido testigos previamente de la fusión de un agujero negro con otro agujero negro. Incluso hemos registrado estrellas de neutrones chocando contra otras estrellas de neutrones, pero nunca antes se había registrado un agujero negro chocando con una estrella de neutrones. Si se confirma esta fusión, designada con el código GW190814, sería la primera de la historia.

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GW190814 fue observada el 14 de agosto de 2019 por el Observatorio de ondas gravitacionales con interferómetro láser (LIGO) de la National Science Foundation y el detector Virgo. La fusión, ubicada a 8 millones de años luz de la Tierra, fue tan potente que genero ondas gravitacionales en la estructura del espacio-tiempo. La discrepancia en la masa de los dos objetos, en una proporción de 9: 1, representa un nuevo extremo para un evento de onda gravitacional. El registro de mayor disparidad de masa lo ostentaba GW190412, una colisión que involucró a dos agujeros negros y que presentaba una relación de masa 4: 1.

Fusiones cósmicas previas que involucraban estrellas de neutrones como GW170817 (en agosto de 2017) produjeron ondas de luz detectables además de ondas gravitacionales. En esta ocasión no hubo luz pese a que varios observatorios de todo el mundo fueran alertados del punto de colisión por LIGO y Virgo. Es posible que la luz de GW170817 fuera demasiado tenue dada la enorme distancia a la que estaba, o bien el objeto desconocido era un agujero negro, pero uno sorprendentemente bajo de masa. Los investigadores sugieren otra posibilidad: era una estrella de neutrones que fue engullida por el agujero negro de un solo “bocado”. La fusión fue tan rápida que no produjo luz.

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Interpretación del momento del choque entre los dos objetos cósmicos.
Interpretación del momento del choque entre los dos objetos cósmicos.
Imagen: N. Fischer, S. Ossokine, H. Pfeiffer, A. Buonanno (Max Planck Institute for Gravitational Physics), Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) Collaboration

Como apunta Charlie Hoy, miembro de la Colaboración Científica LIGO y estudiante de posgrado en la Universidad de Cardiff: “Este puede ser el primer vistazo de lo que podría ser una población completamente inédita de objetos binarios compactos”. Cromartie añadió que es poco probable que el objeto más ligero sea una estrella de neutrones, a pesar de que ese sería el resultado más emocionante desde el punto de vista científico. Actualmente no podemos saberlo de ninguna manera.

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El origen del objeto más ligero, con sus 2.6 masas solares, sigue siendo otro misterio. Tanto las estrellas de neutrones como los agujeros negros nacen cuando las estrellas masivas colapsan bajo el peso de su propia gravedad, pero el nuevo objeto es “inconsistente con esta evolución, por lo que su creación tiene que haber seguido un proceso diferente al de una estrella moribunda”.

Una posibilidad interesante señalada por Bartos es que el objeto haya surgido de la colisión entre dos estrellas de neutrones de tamaño normal, que tienden a pesar alrededor de 1.3 masas solares.

El hecho de que tal colisión fue seguida por la colisión del remanente con un agujero negro sugiere que hay una especie de “línea de montaje” en juego aquí. Esto se espera en lugares del universo donde hay muchos agujeros negros y estrellas de neutrones muy cerca. Este es el caso, por ejemplo, del centro de las galaxias donde estos objetos migran debido a la atracción del agujero negro supermasivo central que se encuentra básicamente en cada galaxia. También puede ayudar el que exista algo facilite las colisiones, como una gran afluencia del gas que forma el disco de acreción alrededor del agujero negro supermasivo, y que podría servir de medio para captar y ensamblar los agujeros negros más pequeños y las estrellas de neutrones. Las masas tan diferentes de los dos objetos también apunta hacia un encuentro fortuito y violento.

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El siguiente paso será confirmar y estudiar más fusiones cósmicas. La buena noticia es que se esperan más detecciones en los próximos meses y años, a medida que nuestros instrumentos astronómicos mejoran constantemente.

“La tasa de descubrimientos se está acelerando: esta fue solo la tercera colisión publicada por LIGO y Virgo de más de 50 candidatas que todavía estamos analizando”, dijo Bartos a Gizmodo. “En los próximos años, la tasa de descubrimientos aumentará aún más en un factor considerable por lo que podemos esperar detecciones aún más emocionantes”. [The Astrophysical Journal Letters]

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