Revelan novas e inesperadas poboacións de buracos negros

A comunidade científica das colaboracións internacionais do detector Advanced Virgo no Observatorio Gravitacional Europeo, en Italia; e dos dous detectores Advanced LIGO, en EEUU, veñen de anunciar a detección dun buraco negro de ao redor de 142 masas solares, resultado final da fusión de dous buracos negros de 66 e 85 masas solares. A USC a través do Instituto Galego de Física de Altas Enerxías (IGFAE) toma parte na colaboración científica LIGO.

O buraco negro remanente é o máis masivo xamais detectado con ondas gravitacionais. Sitúase nun rango de masas no que un buraco negro non foi observado nunca antes, nin a través de ondas gravitacionais nin con observacións electromagnéticas, e podería axudar a explicar a formación de buracos negros supermasivos. Ademais, os dous buracos negros iniciais, se xurdiron do colapso de estrelas, sitúanse nun rango de masas no cal a súa presenza considérase, en teoría, imposible, e podería por tanto axudar a mellorar a comprensión sobre as etapas finais da vida das estrelas masivas.

O evento foi detectado polos tres interferómetros da rede global o 21 de maio de 2019. Estímase que a fonte do sinal, catalogada como GW190521, atópase a uns 17 mil millóns de anos luz da Terra. Dous artigos científicos informando sobre o descubrimento e as súas implicacións astrofísicas foron publicados este mércores en Physical Review Letters e Astrophysical Journal Letters, respectivamente.

Masa intermedia

Bater o récord de masa das deteccións nos períodos de observación de Virgo e LIGO é só una das varias características especiais que fan desta detección unha fusión excepcional e un descubrimento sen precedentes. Un aspecto crucial, que particularmente chamou a atención da comunidade astrofísica, é que o remanente pertence á clase dos chamados “buracos negros de masa intermedia”, isto é, dende unhas cen, ata unhas cen mil masas solares. O interese nesta poboación de buracos negros está relacionado cun dos crebacabezas máis fascinantes e complexos da astrofísica e a cosmoloxía: a orixe dos buracos negros supermasivos. Estes monstros xigantes, de millóns a miles de millóns de veces máis masivos que o Sol e a miúdo no centro das galaxias, poderían xurdir da fusión de buracos negros de masa intermedia “máis pequenos”.

Ata o de agora, moi poucos candidatos a buracos negros de masa intermedia foron identificados unicamente a través de observacións electromagnéticas e o remanente de GW190521 é a primeira observación dun buraco negro de masa intermedia vía ondas gravitacionais. É dun interese aínda maior o feito de que esta detección se atope no rango dende 100 a 1.000 masas solares, que representou durante moitos anos unha especie de “deserto de buracos negros”, debido á escaseza de eventos candidatos neste rango. “Esta detección abre a porta para descubrir moitos máis posibles efectos astrofísicos novos”, comenta Thomas Dent, coordinador do programa de ondas gravitacionais no IGFAE, membro de LIGO e membro do equipo editorial dos artigos publicados. “Foi moi complexo interpretar o sinal ao estar no límite da nosa capacidade técnica. Só teremos unha idea clara de como se formou o sistema que a xerou tras investigacións adicionais e con deteccións futuras coas que comparar.”

Novas perspectivas no estudo das estrelas masivas

As compoñentes e a dinámica do sistema binario coalescente GW190521 ofrece extraordinarias perspectivas astrofísicas. O máis masivo dos dous buracos negros fusionados é maior que calquera buraco negro observado ata o de agora por LIGO e Virgo. En particular, as masas dos buracos negros proxenitores desafían os modelos astrofísicos que describen o colapso das estrelas máis masivas, ao final das súas vidas, a buracos negros. Segundo estes modelos, as estrelas máis masivas desestabilízanse completamente nas explosións de supernova, debido a un proceso chamado “inestabilidade de pares”, deixando ao seu paso unicamente gas e po cósmico. Polo tanto, a comunidade astrofísica non esperaría observar ningún buraco negro neste rango de masas entre unhas 60 e 120 masas solares: exactamente o rango de masas no que se atopa a compoñente máis masiva de GW190521. Por isto, esta detección abre novas perspectivas no estudo das estrelas masivas e os mecanismos das supernovas.

Poboacións nunca observadas

De feito, a detección de GW190521 por parte de Virgo e LIGO subliña a existencia de poboacións de buracos negros que non foron observadas nunca antes ou que son inesperadas e, niso, expón novas e intrigantes preguntas sobre os mecanismos de formación. A pesar da duración inusualmente curta do sinal, que limita a capacidade para inferir as propiedades astrofísicas da fonte, as análises máis avanzadas e os modelos dispoñibles actualmente suxiren que os buracos negros iniciais tiñan rotacións significativas, é dicir, rotaban rapidamente. Foi necesario combinar todas as diferentes capacidades dos membros das colaboracións: as melloras instrumentais, o desenvolvemento de modelos numéricos, a análise de datos e a interpretación astrofísica. Varios escenarios diferentes son aínda compatibles cos resultados mostrados e mesmo non foi descartada a hipótese de que os proxenitores da fusión poidan ser buracos negros primordiais.

A contribución española está financiada pola Axencia Estatal de Investigación, Ministerio de Ciencia, Innovación e Universidades, a través dos programas AYA e FPN, programas de Excelencia Severo Ochoa e María de Maeztu, programas de financiamento da Unión Europea, Fondos FEDER, Fondo Social Europeo, Programa Operativo FEDER Galicia 2014-2020, Xunta de Galicia, Conselleria de Educacion Universidade e Formacion Profesional, Vicepresidència i Conselleria d’Innovació, Recerca i  Turisme, Conselleria d’Educació, i Universitats do Govern de les Illes Balears, Conselleria d’Innovació, Universitats, Ciència i  Societat Dixital da Generalitat Valenciana a través dos proxectos PROMETEO, programa Preto da Generalitat de Catalunya, e teñen o apoio da Rede Española de Supercomputación (RES).