Agujeros negros chocando al límite de la relatividad de Einstein: un hallazgo récord con protagonismo del IGFAE

El 23 de noviembre de 2023, después de millones de años de viaje a través del universo, una señal en forma de ondas gravitacionales llegó a la Tierra. La detectaron al mismo tiempo los observatorios de Hanford y Livingston, separados por más de 3.000 kilómetros de distancia en los Estados Unidos. Pero esta señal, bautizada como GW231123, no era una más: estaba causada por la colisión de agujeros negros más brutal que la humanidad ha podido observar hasta ahora.

Este lunes, después de casi dos años de análisis, la colaboración LIGO, en la que participa el Instituto Galego de Física de Altas Enerxías (IGFAE), junto a las colaboraciones Virgo y KAGRA, ha anunciado el hallazgo de este fenómeno cósmico “de récord”. El resultado de esta fusión de dos agujeros negros, de unas 100 y 140 veces la masa de nuestro Sol, es un objeto de 240 masas solares. Las características de este evento lo sitúan cerca de los límites de lo permitido por la teoría de la relatividad general de Einstein.

“Esta es la fusión de agujeros negros más masiva que hemos detectado mediante ondas gravitacionales, y su interpretación supone a la vez una gran pista y un gran desafío para nuestro entendimiento de los procesos de formación de agujeros negros”, afirma el Dr. Juan Calderón Bustillo, investigador Ramón y Cajal en el IGFAE, centro mixto de la Universidade de Santiago de Compostela y la Xunta de Galicia.

Hasta ahora se habían observado aproximadamente 100 fusiones de agujeros negros mediante ondas gravitacionales. La mayor había sido la conocida como      fuente GW190521 – descubierta en 2019 –, con una masa total mucho menor: “solo” 140 veces la del Sol, cuyo análisis coordinó Calderón Bustillo. “¡Ahora hemos batido nuestro récord, casi doblando la masa!”, destaca.

Una técnica del IGFAE para estudiar generaciones de agujeros negros

Además de su enorme masa, estos dos agujeros negros rotan sobre sí mismos a gran velocidad. Estos dos aspectos convierten a esta señal en un desafío único para su interpretación y sugiere una historia de formación compleja.

“En principio, tales agujeros negros no deberían de poder formarse mediante el colapso de estrellas al final de sus vidas. Por lo tanto, es posible que estos dos agujeros negros procedan de sucesivas fusiones previas de agujeros negros más pequeños”, apunta Juan Calderón Bustillo. Aquí yace una de las principales contribuciones del IGFAE a este descubrimiento, a través de técnicas desarrolladas por el equipo del Instituto, y que se han utilizado en estudios recientes para entender el origen de estos eventos.

“Con estas técnicas hemos podido reconstruír la genealogía de estos agujeros negros. Hemos encontrado que es muy probable que el mayor de ellos sea un agujero negro de ‘tercera’ generación. Es decir, en el mejor de los casos serían sus “abuelos” los que se habrían podido formar mediante colapso estelar.

Al límite de la relatividad general y de los sistemas de detección

La gran masa y la rápida rotación de los agujeros negros en la señal GW231123 llevan al límite tanto los algoritmos que se utilizan para la detección de ondas gravitacionales como los modelos teóricos que permiten su interpretación. Detectar sistemas tan masivos requiere de complejas técnicas cuyo desarrollo ha liderado el IGFAE durante el último lustro.

“Las señales de sistemas como GW231123 son extremadamente cortas, fácilmente confundibles con señales artificiales que contaminan continuamente nuestros detectores”, explica el Dr. Thomas Dent, Investigador Distinguido en el IGFAE desde 2018 y fundador del programa de investigación en ondas gravitacionales.

“Una de nuestras principales líneas de trabajo es el desarrollo de complejas técnicas que permiten descartar señales artificiales. Esto nos permite optimizar la sensibilidad de nuestros sistemas de detección”, afirma Dent. “De hecho el sistema PyCBC, que desarrollamos aquí, fue el que proporcionó lo que llamamos la “alerta rápida” de que habíamos detectado algo”. Finalmente, extraer información precisa de la señal requirió del uso de modelos teóricos que recogiesen la compleja dinámica de agujeros negros con gran rotación.

En el futuro, el equipo del IGFAE continuará refinando sus análisis y mejorando los modelos utilizados para interpretar este tipo de eventos extremos. “Llevará años conocer la verdadera naturaleza de este tipo de fuentes” avanzan Juan Calderón Bustillo y Thomas Dent.

“Se sabe que este tipo de señales suele ofrecer varias posibles interpretaciones. Si bien la más probable parece la fusión de dos agujeros negros en una órbita circular que ‘oscila’, futuros estudios podrían revelar que en realidad se trata de una órbita excéntrica o – como ya se ha propuesto en el pasado – quizás estemos viendo algo más allá de los agujeros negros”, añaden ambos.

Concluye Thomas Dent que, “además de los desarrollos teóricos necesarios, la acumulación de más observaciones de este estilo nos permitirá investigar con mucho más detalle el cómo llegan a formarse estos agujeros negros y el cómo funcionan las estrellas que en algún momento murieron para darles vida a ellos, o a sus antepasados”.

Las ondas gravitacionales y el papel del IGFAE en LIGO

Las ondas gravitacionales son ondulaciones en el tejido espaciotemporal que viajan a la velocidad de la luz, y que se producen a consecuencia de los eventos más violentos del Universo, como las fusiones de agujeros negros o las explosiones de estrellas (supernovas). Fueron postuladas teóricamente por Albert Einstein hace más de 100 años, pero no se pudieron observar directamente hasta el año 2015, cuando lo logró la colaboración LIGO.

Este hallazgo supuso uno de los grandes hitos de la física de las últimas décadas. Tres de los principales artífices de este descubrimiento (Kip Thorne, Barry C. Barish y Rainer Weiss), recibieron el premio Nobel de Física en 2017, entre otros muchos reconocimientos.

Después de la acreditación como Unidad de Excelencia María de Maeztu, en 2017, se identificó el gran potencial de la línea de investigación de ondas gravitacionales. La apuesta por esta disciplina hizo posible que el IGFAE se incorporase en octubre de 2018 a LIGO, donde ocupa posiciones de relevancia dentro de este experimento, en el que participan más de 1.500 personas de todo el mundo.