Un equipo de astrónomos, liderado por el nuevo investigador de ondas gravitacionales del Instituto Galego de Física de Altas Enerxías (IGFAE) Juan Calderón Bustillo, revela que cuando dos agujeros negros se fusionan, el agujero negro remanente emite pulsos de ondas gravitacionales, similares a las de un faro, que permiten averiguar su forma. El estudio se publica hoy en Communications Physics de la revista Nature.
Los agujeros negros se encuentran entre los objetos más fascinantes del Universo. En su superficie, conocida como “horizonte de eventos”, la gravedad se torna tan fuerte que ni siquiera la luz puede escapar a su atracción. Normalmente, los agujeros son criaturas aletargadas y silenciosas que van devorando cualquier objeto que se les acerque demasiado. Sin embargo, de vez en cuando, estas bestias cósmicas colisionan y se fusionan, dando lugar a uno de los eventos más catastróficos que se pueden dar en el Cosmos. Durante dicho proceso, un agujero negro recién nacido y muy deformado libera ingentes cantidades de energía mientras adquiere su forma final. Este fenómeno, que dura apenas una fracción de segundo, ofrece una oportunidad única de observar agujeros negros que cambian rápidamente de forma, y permite estudiar la gravedad en condiciones extremas.
Si bien las colisiones de agujeros negros no producen luz, pueden ser observadas gracias a las ondas gravitacionales —deformaciones del propio tejido espacio-temporal— que originan. Durante décadas se ha postulado que, tras la colisión, el comportamiento del agujero negro remanente es clave para estudiar la gravedad en detalle, y que éste debería estar codificado en las ondas gravitacionales.
Hoy la revista Communications Physics de Nature publica un trabajo liderado por Juan Calderón Bustillo, nuevo investigador postdoctoral Junior Leader de “la Caixa” – Marie Curie Fellow en el IGFAE, en colaboración con el Georgia Institute of Technology (Atlanta, EE. UU), que revela cómo las ondas gravitacionales llevan impresas la forma del agujero negro final según consigue su forma definitiva.
“Hemos simulado colisiones de agujeros negros en superordenadores, y hemos comparado la forma cambiante del agujero negro final con las ondas gravitacionales que emite”, comenta Christopher Evans, estudiante de doctorado en el Georgia Institute of Technology y coautor del artículo. “Así hemos descubierto que estas señales son mucho más ricas y complejas de lo que se pensaba y nos permiten entender la forma del agujero.”
Las ondas gravitacionales emitidas por estas colisiones son señales muy simples, conocidas como chirps o gorjeos. “A medida que los dos agujeros se aproximan cada vez más rápido, emiten una señal cuya frecuencia y amplitud va creciendo y que nos informa sobre la velocidad y el tamaño de la órbita que describen”, explica Juan Calderón Bustillo. “Tras la colisión, el agujero negro remanente emite una señal con una frecuencia o nota constante que se apaga rápidamente, como sucede al golpear una campana”. Este fenómeno se repite en todas las ondas gravitacionales que se han observado hasta ahora, en las cuales hemos visto la colisión “desde arriba”. Sin embargo, el estudio ha revelado que algo totalmente distinto sucede si estas señales se observan desde el plano orbital “o el ecuador” de la colisión.
a: Etapas de una fusión de agujeros negros. Inicialmente, durante la etapa de espiral, ambos agujeros orbitan uno en torno al otro, aproximándose paulatinamente. Después, ambos agujeros se fusionan, formando un agujero muy distorsionado. Finalmente, durante la etapa de relajamiento, el nuevo agujero final consigue su forma final. b: Frecuencia de las señales observadas “desde arriba” de la colisión (izquierda) y desde varias posiciones en el plano orbital (resto) en función del tiempo. La primera señal muestra la característica forma de “gorjeo”, en la que tanto amplitud como frecuencia se incrementan a medida que pasa el tiempo. Las otras tres muestra que, tras la colisión (en t=0) la frecuencia baja y sube una vez más, produciendo un segundo gorjeo (rodeado en amarillo).
Señales complejas según la forma del agujero
El equipo encontró que el agujero negro final emite señales mucho más complejas, con una nota que se vuelve grave y aguda varias veces, antes de apagarse. Dicho de otro modo, el agujero “pía” varias veces y no una, como normalmente se espera. Dichas señales están relacionadas con su forma, que actúa como una especie de faro de ondas gravitacionales. Cuando los agujeros que chocan tienen distintos tamaños, el agujero resultante tiene inicialmente una forma como de castaña, con un lado en forma de punta y el otro más redondeado y uniforme. El hallazgo de este trabajo es que el agujero emite señales más intensas desde sus regiones más curvadas, que son las que rodean la punta. Dado que este agujero también rota, la punta y la “espalda” van apuntando en todas direcciones de modo alternativo, dando lugar a los gorjeos múltiples.
Crédito: C. Evans, J. Detalle de la forma del agujero negro final (visto desde arriba) y su forma de “castaña”. Tres regiones de alta emisión (en amarillo) se acumulan cerca de la punta. El agujero rota, apuntando sucesivamente en todas las direccio-nes. Crédito: C. Evans, J. Calderón BustilloCalderón Bustillo
“Durante mucho tiempo se ha conjeturado que el comportamiento de los agujeros negros y las ondas que emiten están relacionados. Nuestro estudio proporciona el primer ejemplo explícito de esta relación”, recalca Pablo Laguna, exdecano de la facultad de física del Georgia Institute of Technology y ahora profesor en la Universidad de Texas (Austin, EE. UU).
«El año pasado, el Event Horizon Telescope obtuvo la primera imagen de un agujero negro, conocido como M87. Sin embargo, es un agujero negro que está más bien en reposo y no experimenta cambios importantes. En el futuro, los detectores de ondas gravitacionales podrían permitirnos comprender cómo se comportan agujeros negros recién nacidos, mientras experimentan cambios rápidos y violentos, lo cual permitiría poner a prueba la teoría de la gravedad de Einstein con un detalle sin precedentes”, concluye Calderón.
El IGFAE es un centro mixto de la Universidad de Santiago (USC) y la Xunta de Galicia, acreditado como Unidad de Excelencia “María de Maeztu” (el único centro de Galicia con esta distinción) y Centro Singular de Investigación del Sistema Universitario de Galicia. Esta actividad se cofinancia con cargo al Programa Operativo FEDER Galicia 2014-2020.
Referencias:
Calderon Bustillo, J., Evans, C., Clark, J.A. et al. Post-merger chirps from binary black holes as probes of the final black-hole horizon. Commun Phys 3, 176 (2020).
https://doi.org/10.1038/s42005-020-00446-7
