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Un agujero negro capturó a otro y ahora han chocado

Las ondas gravitatorias emitidas durante la colisión de un par de estrellas de neutrones nos han revelado el origen inusual de dicho par de objetos. Éstos no se formaron juntos, evolucionando simultáneamente hasta acabar como agujeros negros, sino que crecieron separados y se encontraron al final de sus días.

Un agujero negro capturó a otro y ahora han chocado (Jose Luis Oltra)
Cuando una pareja de los objetos más extremos conocidos en el universo se orbitan mutuamente y acaban colisionando hasta el propio tejido del cosmos lo nota, vibrando y doblándose sobre sí mismo. Desde que se detectaron las primeras ondas gravitatorias en septiembre de 2015, se han detectado unas 90 colisiones de agujeros negros. La colaboración entre los observatorios de ondas gravitatorias LIGO y Virgo nos ha permitido descubrir decenas de estas colisiones y aprender sobre los objetos que las protagonizaron. No solo hemos detectado colisiones de agujeros negros, sino también de pares de estrellas de neutrones y colisiones de agujeros negros con estrellas de neutrones.
Cada una de estas detecciones es única en sí misma, pues los mecanismos astrofísicos que acaban con un sistema binario formado por agujeros negros y/o estrellas de neutrones no son muy comunes, pero ha habido una detección especialmente interesante. Esta es la denominada GW190521, detectada el 21 de mayo de 2019, de ahí su nombre. Durante este evento dos agujeros negros de aproximadamente 80 y 50 veces la masa de nuestro propio Sol llegaron a colisionar, emitiendo en los instantes previos a dicha colisión, gran cantidad de energía en forma de ondas gravitatorias. 
Sin embargo, la señal detectada era muy diferente a la detectada en otras ocasiones y no cuadraba con la presunción de una órbita circular para los dos componentes del sistema. Sustituyendo esta órbita circular por una órbita elíptica (más parecida a la que describen los cometas alrededor del Sol, con un perihelio y un afelio muy diferentes) las observaciones cobraban sentido. El perihelio es la parte de cualquier órbita que no sea perfectamente circular más cercana al objeto alrededor del cual se orbita mientras que el afelio es el punto más lejano. Para la Tierra la diferencia entre perihelio y afelio es de aproximadamente el 3 %, mientras que para astros con órbitas más excéntricas, como Plutón, es del 40 %.
Pero, ¿qué ha llevado a este par de agujeros negros a describir una órbita elíptica mientras que el resto de pares observados describían órbitas circulares? Los pares detectados hasta ahora, los sistemas binarios de agujeros negros, se han formado juntos desde un principio. Es decir, las estrellas que al final de sus vidas acabarían dando lugar a los distintos agujeros negros o estrellas de neutrones nacieron en el mismo sistema estelar que los vio colisionar. En sus inicios, estos sistemas binarios contenían dos estrellas muy masivas. Con masas entre unas pocas veces y varias decenas de veces la masa del Sol, cada objeto evolucionó hasta consumir todo el combustible que contenía, en incontables reacciones de fusión nuclear. 
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Al cabo de pocos millones de años (pues las estrellas más masivas agotan su combustible a un ritmo frenético), acabaron sus días como estrellas de la secuencia principal con una explosión de supernova y, según la cantidad de masa que permaneciera tras la explosión, dieron lugar a una estrella de neutrones o un agujero negro. Tras la muerte ambas estrellas, que ocurrieron en momentos diferentes, los dos miembros del sistema continuaron describiendo órbitas más o menos circulares el uno alrededor del otro, perdiendo energía en forma de ondas gravitatorias, hasta que su órbita se encogiera tanto que sus superficies entraran en contacto, colisionando.
Dado un origen conjunto para los dos miembros del sistema binario, es inevitable que describan una órbita aproximadamente circular. Durante la formación del sistema a partir de una gigantesca nube de gas y polvo, el movimiento de cada partícula que forma parte de dicha nube se va contrarrestando con el de otra partícula, hasta que solo queda el movimiento medio del sistema. Es por ese mismo motivo que los planetas del sistema solar orbitan en torno al Sol en el mismo sentido y en órbitas muy poco excéntricas. Por tanto la órbita elíptica del sistema binario que emitió la señal GW190521 nos da pistas sobre su origen. Estos dos agujeros negros no se formaron juntos, las estrellas que les dieron origen no nacieron en el mismo sistema estelar . Estas estrellas se formaron, evolucionaron y murieron en sistemas diferentes y más tarde se cruzaron sus caminos.
Concretamente creemos que lo que ocurrió es que uno de estos dos agujeros negros, probablemente el más masivo, debía estar rodeado de gran cantidad de gas y polvo o debía estar atravesando una región especialmente densa del espacio interestelar. Esto hizo que durante el fortuito acercamiento con el otro agujero negro (algo increíblemente raro en una región como la que rodea a nuestro sistema solar, pero mucho más común en el interior de un cúmulo estelar o en las regiones centrales de una galaxia), el agujero negro menos masivo fuera frenándose al interactuar con este gas y polvo. Al parecer frenó lo suficiente como para ser capturado por el agujero negro de mayor tamaño, quedando ambos unidos en sendas órbitas elípticas.
Puesto que es la primera vez que observamos algo así no podemos decir con certeza lo improbable que resulta, aunque la predicción es que es un evento increíblemente poco probable.
Referencias:
R. Gamba et al, GW190521 as a dynamical capture of two nonspinning black holes. Nature Astronomy, 2022; DOI: 10.1038/s41550-022-01813-w

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