El IGFAE lidera la primera medición completa del retroceso de un agujero negro

Del mismo modo que al disparar un arma se produce un violento retroceso, los choques de agujeros negros son tan brutales que el producto de su fusión puede salir disparado de la galaxia en la que se encuentra. Este particular retroceso gravitacional se ha medido por primera vez en un artículo publicado en Nature Astronomy, y ha sido liderado por el Instituto Galego de Física de Altas Enerxías (IGFAE), centro mixto de la USC y la Xunta de Galicia.

La investigación se ha basado en la señal de ondas gravitacionales GW190412, registrada en 2019 por los detectores Advanced LIGO y Virgo. Hasta ahora, aunque ya se han detectado casi 300 ondas gravitacionales, no se había medido la velocidad o la dirección del retroceso (conocido también como kick, ‘patada’ en inglés) de las fusiones de agujeros negros, los fenómenos que suelen generar estas ondas y forman un nuevo agujero negro de mayor tamaño.

Cómo medir el retroceso de un agujero negro

El aspecto de las ondas gravitacionales emitidas por el agujero negro final en diferentes direcciones es muy cambiante, lo que nos permite entender dónde estamos exactamente alrededor del mismo y, consecuentemente, saber dónde nos situamos respecto a su dirección de retroceso. Sabiendo la masa y el sentido de giro (spin) de los agujeros negros, la Relatividad General de Einstein ayuda a conocer exactamente la dirección en la que retrocederá. Y de esta manera, al combinar los dos ingredientes, podemos saber hacia dónde se dirige el agujero negro y a qué velocidad.

El Prof. Juan Calderón Bustillo, miembro del IGFAE y líder del estudio, explica esta técnica con una analogía musical: “Pensemos en la fusión de agujeros negros como una orquesta que toca varios instrumentos, pero con una particularidad: dependiendo de dónde estamos alrededor de la orquesta, oímos distintas combinaciones de instrumentos. Teniendo los datos suficientes, somos capaces de saber exactamente dónde estamos alrededor de la misma”.

El equipo concluyó el resultado de la fusión GW190412 salió disparado a más de 50 km/s, una velocidad suficiente para expulsarlo de cualquier clúster globular (cúmulo de estrellas que gira alrededor del núcleo de una galaxia), y midió los ángulos de su trayectoria con respecto a la Tierra, el eje de su órbita y la línea de separación de los agujeros instantes antes de la fusión. “La trayectoria forma unos 40 grados con respecto a la Tierra, así que sabemos que no impactará con nosotros”, bromea Calderón Bustillo.

“Este método se nos ocurrió allá por 2018, y demostramos que nos permitiría medir retrocesos usando los detectores actuales, frente a otras propuestas que requerían esperar a la puesta en marcha del detector espacial LISA, planeado para la década 2030”, explica el investigador del IGFAE. “En aquel momento no habíamos detectado ninguna señal adecuada, pero sabíamos que acabaría llegando. Fue muy emocionante cuando Advanced LIGO y Virgo detectaron la señal GW190412 y nos dimos cuenta de que probablemente podríamos medir el kick….¡y hacerlo!”, destaca.

El Dr. Koustav Chandra, investigador postdoctoral en Penn State y coautor del artículo, añade: “Este es uno de los pocos fenómenos astrofísicos donde no solo detectamos algo, sino que estamos reconstruyendo todo el movimiento tridimensional de un objeto que está a miles de millones de años luz, y lo hacemos usando unas minúsculas perturbaciones en el espacio-tiempo. Es una demostración increíble de lo que las ondas gravitacionales nos permiten hacer”.

¿Para qué sirven estas medidas?

Según explican los autores del trabajo, medir la dirección de estos retrocesos abre la puerta a estudiar detalladamente las fusiones de agujeros negros combinando ondas gravitacionales y electromagnéticas. “Cuando dos agujeros se fusionan en un entorno denso pueden llegar a producir señales electromagnéticas – conocidas como llamaradas, o flares – a medida que el agujero negro final atraviesa e incendia dicho entorno, como por ejemplo un núcleo galáctico activo”, comenta Samson Leong, estudiante de doctorado en la Chinese University of Hong Kong y coautor del artículo.

Estas combinaciones de señales ayudan a entender estos entornos en gran detalle, e incluso a medir el ritmo de expansión del Universo. “Dado que la visibilidad de la llamarada producida por una fusión de agujeros negros depende de la orientación del retroceso respecto a la Tierra, medir éstos últimos nos va a permitir distinguir coincidencias reales de estas señales con aquellas que son sencillamente fruto de la casualidad”, concluye Leong.

Qué son las ondas gravitacionales y por qué es importante estudiarlas

Las ondas gravitacionales son pequeñas perturbaciones del tejido espacio temporal que se propagan a la velocidad de la luz, llevando con ellas información acerca de las fuentes que las producen. Gracias a estos datos es posible observar fenómenos que no emiten luz – como las fusiones de agujeros negros – y obtener información complementaria de aquéllos que sí la emiten – como las supernovas o las fusiones de estrellas de neutrones.

Albert Einstein predijo teóricamente su existencia en 1916. Sin embargo, la señal que llega a la Tierra es tan débil que requiere combinar detectores increíblemente sensibles con los fenómenos más violentos del Universo, como las fusiones de agujeros negros, las supernovas o el propio Big Bang.

Para ello se necesitaron décadas de trabajo, y no fue hasta un siglo después, el 14 de septiembre de 2015, cuando los detectores Advanced LIGO situados en Estados Unidos –Hanford (Washington) y Livingston (Louisiana) – captaron la señal GW150914, producida durante la fusión de dos agujeros negros de unas 30 veces la masa del Sol. Desde entonces se han detectado casi 300 señales más, lo que nos ha permitido empezar a entender la población de los agujeros negros de nuestro Universo y estudiar la gravedad en su régimen más extremo.

Tras la primera acreditación del IGFAE como Unidad de Excelencia María de Maeztu, en 2017, la dirección científica del centro identificó el gran potencial de la línea de investigación de ondas gravitacionales, abriendo un nuevo programa de investigación centrado en esta disciplina. De esta manera, el Instituto se incorporó en octubre de 2018 a la colaboración LIGO, ocupando posiciones de relevancia en un experimento en el que participan más de 1.500 científicos de todo el mundo.