O IGFAE lidera a primeira medición completa do retroceso dun buraco negro

Do mesmo xeito que ao disparar unha arma se produce un violento retroceso, as colisións de buracos negros son tan brutais que o produto da súa fusión pode saír disparado da galaxia na que se atopa. Este particular retroceso gravitacional mediuse por primeira vez nun artigo publicado en Nature Astronomy, liderado polo Instituto Galego de Física de Altas Enerxías (IGFAE), centro mixto da USC e da Xunta de Galicia.

A investigación baseouse no sinal de ondas gravitacionais GW190412, rexistrado en 2019 polos detectores Advanced LIGO e Virgo. Ata o de agora, aínda que xa se detectaron case 300 ondas gravitacionais, non se medira a velocidade nin a dirección do retroceso (tamén coñecido como kick, ‘patada’ en inglés) das fusións de buracos negros, fenómenos que adoitan xerar estas ondas e formar un novo buraco negro de maior tamaño.

Como medir o retroceso dun buraco negro

O aspecto das ondas gravitacionais emitidas polo buraco negro final en diferentes direccións é moi cambiante, o que nos permite entender onde estamos exactamente arredor del e, consecuentemente, saber onde nos situamos respecto á súa dirección de retroceso. Sabendo a masa e o sentido de xiro (spin) dos buracos negros, a Relatividade Xeral de Einstein axúdanos a coñecer exactamente a dirección na que retrocederá. Así, ao combinar ambos ingredientes, podemos saber cara a onde se dirixe o buraco negro e a que velocidade.

O Prof. Juan Calderón Bustillo, membro do IGFAE e líder do estudo, explica esta técnica cunha analoxía musical: “Pensemos na fusión de buracos negros como unha orquestra que toca varios instrumentos, pero cunha particularidade: dependendo de onde esteamos arredor da orquestra, escoitamos distintas combinacións de instrumentos. Se temos datos suficientes, somos quen de saber exactamente onde estamos arredor dela”.

O equipo concluíu que o resultado da fusión GW190412 saíu disparado a máis de 50 quilómetros por segundo, unha velocidade suficiente para expulsalo de calquera cúmulo globular (agrupación de estrelas que xira arredor do núcleo dunha galaxia). Tamén mediron os ángulos da súa traxectoria respecto á Terra, ao eixe da súa órbita e á liña de separación dos buracos xusto antes da fusión. “A traxectoria forma uns 40 graos respecto á Terra, así que sabemos que non impactará connosco”, bromea Calderón Bustillo.

“Este método ocorréusenos alá polo 2018, e demostramos que nos permitiría medir retrocesos usando os detectores actuais, fronte a outras propostas que requirían esperar á posta en marcha do detector espacial LISA, planeado para a década de 2030”, explica o investigador do IGFAE. “Naquel momento non se detectara ningunha sinal axeitada, pero sabiamos que acabaría chegando. Foi moi emocionante cando Advanced LIGO e Virgo detectaron a sinal GW190412 e nos decatamos de que probablemente poderiamos medir o kick… e facelo!”, destaca.

O Dr. Koustav Chandra, investigador posdoutoral en Penn State e coautor do artigo, engade: “Este é un dos poucos fenómenos astrofísicos onde non só detectamos algo, senón que estamos a reconstruír todo o movemento tridimensional dun obxecto que está a miles de millóns de anos luz, e facémolo empregando minúsculas perturbacións no espazo-tempo. É unha demostración incrible do que as ondas gravitacionais nos permiten facer”.

Para que serven estas medidas?

Segundo explican os autores do traballo, medir a dirección destes retrocesos abre a porta a estudar en detalle as fusións de buracos negros combinando ondas gravitacionais e electromagnéticas. “Cando dous buracos negros se fusionan nun entorno denso poden chegar a producir sinais electromagnéticas – coñecidas como faíscas ou flares – a medida que o buraco negro final atravesa e inflama ese medio, como por exemplo un núcleo galáctico activo”, comenta Samson Leong, doutorando na Chinese University of Hong Kong e coautor do artigo.

Estas combinacións de sinais axudan a entender estes contornos con gran detalle, e mesmo a medir o ritmo de expansión do Universo. “Dado que a visibilidade da faísca producida por unha fusión de buracos negros depende da orientación do retroceso respecto á Terra, medilos vainos permitir distinguir coincidencias reais destas sinais daquelas que son simplemente froito da casualidade”, conclúe Leong.

Que son as ondas gravitacionais e por que é importante estudalas

As ondas gravitacionais son pequenas perturbacións do tecido espazo-temporal que se propagan á velocidade da luz, levando con elas información sobre as fontes que as producen. Grazas a estes datos é posible observar fenómenos que non emiten luz – como as fusións de buracos negros – e obter información complementaria doutros que si a emiten – como as supernovas ou as fusións de estrelas de neutróns.

Albert Einstein prediciu teoricamente a súa existencia en 1916. Porén, o sinal que chega á Terra é tan débil que require combinar detectores incriblemente sensibles cos fenómenos máis violentos do Universo, como as fusións de buracos negros, as supernovas ou mesmo o Big Bang.

Foron necesarias décadas de traballo, e non foi ata un século despois, o 14 de setembro de 2015, cando os detectores Advanced LIGO situados nos Estados Unidos – Hanford (Washington) e Livingston (Luisiana) – captaron a sinal GW150914, producida durante a fusión de dous buracos negros duns 30 soles de masa. Desde entón detectáronse case 300 sinais máis, o que nos permitiu comezar a entender a poboación de buracos negros do noso Universo e estudar a gravidade no seu réxime máis extremo.

Tras a primeira acreditación do IGFAE como Unidade de Excelencia María de Maeztu, en 2017, a dirección científica do centro identificou o gran potencial da liña de investigación de ondas gravitacionais, abrindo un novo programa de investigación centrado nesta disciplina. Deste xeito, o Instituto incorporouse en outubro de 2018 á colaboración LIGO, ocupando posicións relevantes nun experimento no que participan máis de 1.500 científicos de todo o mundo.

Sobre o IGFAE

O Instituto Galego de Física de Altas Enerxías (IGFAE), é un centro de investigación creado en 1999 pola Universidade de Santiago de Compostela e a Xunta de Galicia. Naceu co obxectivo de coordinar e fomentar a investigación científica e técnica nos campos da Física de Alta Enerxía, Partículas e Nuclear, e áreas relacionadas como a Astrofísica, a Física Médica ou a Instrumentación. Acolle a arredor de 140 persoas que participan en instalacións experimentais como o CERN, o Observatorio Pierre Auger, LIGO ou GSI/FAIR, entre outras.

O centro foi acreditado en dúas ocasións (2017 e 2023) como Unidade de Excelencia María de Maeztu por parte da Axencia Estatal de Investigación do Goberno de España. Tamén forma parte da rede CIGUS da Xunta de Galicia, que acredita a calidade e o impacto da súa investigación. Está cofinanciado pola Unión Europea a través do Programa Galicia Feder 2021-2027.