Nuevo agujero negro disparado a millones de kilómetros por hora

Un agujero negro que acababa de formarse por la colisión de dos más pequeños salió disparado hacia el universo a una velocidad de unos 5 millones de kilómetros por hora.

Los agujeros negros "ordinarios" se crean cuando una estrella masiva se queda sin combustible y explota como supernova. Pero un agujero negro así no puede hacerse pesado indefinidamente. Según los astrofísicos, el límite superior es un agujero 45 veces más pesado que nuestro Sol. Sin embargo, hay agujeros más pesados. La pregunta es: ¿cómo se formaron? Posiblemente, porque los agujeros negros de las estrellas se combinan para formar agujeros más pesados, que a su vez se combinan para formar agujeros aún más pesados, y así sucesivamente.

Pero entonces los agujeros negros no deben salir volando de su entorno a la velocidad del rayo nada más formarse. Y eso es exactamente lo que hace un agujero negro de principios de 2020, escribe Vijay Varma, del Instituto Max Planck de Física de la Gravedad de Alemania, y sus colegas en la revista científica Physical Review Letters.

Movimiento truncado

El 29 de enero de 2020, los detectores LIGO y Virgo captaron las ondas gravitacionales del agujero negro en cuestión; vibraciones en el espaciotiempo que se propagan por el universo a la velocidad de la luz. Los análisis revelaron entonces que estas ondas gravitacionales indican la existencia de dos agujeros negros en fusión, con lo que los astrónomos llaman una alta precesión.

¿Qué significa esto? Imagina que los dos agujeros negros son dos objetos que giran sobre su eje y se mueven el uno hacia el otro en un plano. ¿Son los ejes de rotación de ambos agujeros perpendiculares a ese plano? Entonces no hay precesión. ¿Los ejes apuntan en dirección opuesta? Luego está la precesión.

En una fusión de este tipo, explica Varma por correo electrónico, el centro de masa de los dos agujeros negros comienza a moverse hacia arriba y hacia abajo a medida que los agujeros se acercan el uno al otro. Cuando se fusionan, ese movimiento ascendente y descendente del centro de masa se corta. El agujero negro resultante adquiere una velocidad La regla general es: cuanto mayor sea la precesión, más fuerte será el movimiento ascendente y descendente y mayor será la velocidad. En este caso, esa velocidad resultó ser la friolera de 5,5 millones de kilómetros por hora.

Animación de la fusión por Vijay Varma y Max Isi.

Cientos de simulaciones

Pero, ¿cómo se deduce de las ondas gravitacionales que hay una alta precesión, y que el agujero negro creado tiene una determinada velocidad? "Determinamos si hay precesión comparando la señal observada con una onda gravitacional predicha por un modelo", dice Varma. "Luego variamos la masa y las direcciones de los ejes de los agujeros negros hasta encontrar la onda que mejor se ajuste". Una vez que se ha determinado de este modo con qué tipo de agujeros negros en fusión se estaba tratando antes de la colisión, se puede utilizar otro modelo para determinar la velocidad del agujero resultante después de la colisión.

"Para este tipo de procedimientos, se necesitan modelos que sean correctos", continúa Varma. "Hay que hacer simulaciones que resuelvan las ecuaciones de la teoría general de la relatividad de Einstein. Nuestros modelos se basan en cientos de simulaciones de este tipo. Como resultado, captan muy bien la física subyacente, lo que es crucial para determinar correctamente la velocidad final".

Nuevas partículas

Varma y sus colegas también calcularon la probabilidad de que un agujero negro con esa velocidad siga formando parte del grupo de estrellas al que pertenecía originalmente. Si se encuentra en uno de los llamados cúmulos globulares, la probabilidad es inferior al medio por ciento (o una de cada doscientas). En otro tipo de cúmulo estelar, la probabilidad es mayor (un 7 %), pero incluso en este caso, un agujero negro que se precipita tan rápido a través del universo es probable que deje atrás a sus vecinos. Esto hace poco probable que se fusione con otro agujero negro de la región para formar un agujero negro aún más pesado.

Ahora bien, no se pueden sacar conclusiones generales de una sola observación, dice Varma. "Pero si fusiones como esta son la norma, entonces los agujeros negros más pesados que hemos visto hasta ahora podrían no haber sido creados por una serie consecutiva de fusiones". Eso sería interesante, porque entonces debe haber algo más que permita la formación de agujeros negros tan pesados. Algunos teóricos creen que podría tratarse de nuevas partículas, como los axiones o los fotones oscuros.

Esperando

Por ahora, lo principal es determinar la velocidad de más agujeros negros que se forman a partir de las fusiones. Lamentablemente, las observaciones de las ondas gravitacionales realizadas hasta ahora no podrán ayudar en este sentido. "Los hemos comprobado todos y solo con este hemos podido determinar la velocidad", dice Varma. "Así que tendremos que esperar y ver".