Física exótica en colisiones de agujeros negros

El estudio de dos casos recientes de colisión entre agujeros negros y fusión inmediata entre ambos, está permitiendo conocer mejor los entresijos de estas colisiones, las más violentas del universo. Los datos recolectados en las observaciones de este estudio revelan detalles exóticos e incluso abren nuevas vías de investigación para buscar, si es que existen, partículas elementales aún desconocidas que serían capaces de extraer energía de los agujeros negros.

Este estudio es obra de un extenso equipo de científicos, vertebrado en torno a la Colaboración internacional LIGO-Virgo-KAGRA, que emplea de manera coordinada los tres detectores de ondas gravitacionales con esos respectivos nombres. El Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferometría Láser (LIGO), en Estados Unidos, consta de dos detectores, emplazados en puntos distintos del territorio continental de ese país. El detector de ondas gravitacionales Virgo está ubicado en Italia. El KAGRA se halla en Japón. Entre los tres conforman una eficaz red global de búsqueda de ondas gravitacionales.

Las ondas gravitacionales son “ondulaciones” o “arrugas” en el espacio-tiempo que se generan en fenómenos cósmicos extremos, en los que intervienen masas grandes. Un fenómeno de esta clase es la colisión y fusión entre dos agujeros negros.

El equipo de investigación está formado, entre muchos otros, por Adrian Abac del Instituto Max Planck de Física Gravitacional (Instituto Albert Einstein) en Alemania, y Carl-Johan Haster, de la Universidad de Nevada en Las Vegas (UNLV) en Estados Unidos.

Recreación artística del acercamiento imparable entre dos agujeros negros, destinados a chocar y a fusionarse en uno solo. (Ilustración: Carl Knox, OzGrav, Swinburne University of Technology)

La primera fusión entre agujeros negros analizada en ondas gravitacionales por el equipo en este estudio, catalogada con el nombre GW241011 (acaecida el 11 de octubre de 2024), ocurrió a unos 700 millones de años-luz de distancia de la Tierra y fue el resultado de la colisión de dos agujeros negros con masas de aproximadamente 20 y 6 veces la de nuestro Sol. Se midió que el mayor de los agujeros negros participantes en la fusión era uno de los agujeros negros con rotación más rápida de entre todos los observados hasta la fecha.

Casi un mes después, se detectó GW241110 (acaecida el 10 de noviembre de 2024) a unos 2400 millones de años-luz de distancia, resultado de la fusión de agujeros negros con masas de aproximadamente 17 y 8 veces la de nuestro Sol. Si bien la mayoría de los agujeros negros observados rotan en la misma dirección con la que trazan su órbita, se observó que el agujero negro principal de GW241110 rotaba en sentido opuesto al de su órbita, un fenómeno sin precedentes.

La precisión con la que se midió GW241011 permitió poner a prueba predicciones clave de la teoría de la relatividad general de Einstein en condiciones extremas y validarlas.

Gracias a la claridad con la que se detectó GW241011, se puede comparar lo observado con las predicciones de la teoría de Einstein y con la predicción hecha en su día por el matemático Roy Kerr sobre los agujeros negros en rotación. La rápida rotación del agujero negro lo deforma ligeramente, dejando una huella característica en las ondas gravitacionales que emite. Al analizar GW241011, el equipo de investigación encontró una excelente concordancia entre lo observado y la predicción de Kerr y también se corroboró con una precisión sin precedentes lo predicho por Einstein.

Además, debido a que las masas de los agujeros negros individuales difieren significativamente, la señal de ondas gravitacionales contiene el “zumbido” de un “armónico superior”, algo comparable en concepto al símil de los instrumentos musicales. Uno de estos armónicos se observó con una claridad excepcional y confirma otra predicción de la teoría de Einstein.

Los agujeros negros de rápida rotación, como los observados en este estudio, tienen ahora otra aplicación: la física de partículas. Los científicos pueden usarlos para comprobar si existen ciertas partículas elementales ligeras hipotéticas y cuál es su masa.

Estas partículas, llamadas bosones ultraligeros, son predichas por algunas teorías que van más allá del Modelo Estándar de la física de partículas, el cual describe y clasifica todas las partículas elementales conocidas. Si existen los bosones ultraligeros, pueden extraer energía rotacional de los agujeros negros. La cantidad de energía extraída y la disminución consiguiente de la velocidad de rotación de los agujeros negros con el paso del tiempo dependen de la masa de estas partículas, la cual aún se desconoce.

El estudio se titula “GW241011 and GW241110: Exploring Binary Formation and Fundamental Physics with Asymmetric, High-spin Black Hole Coalescences”. Y se ha publicado en la revista académica The Astrophysical Journal Letters. (Fuente: NCYT de Amazings)