Los agujeros negros también podrían tener un árbol genealógico

Por Julio García G. / Periodista de Ciencia

Los agujeros negros, esos objetos que son la máxima representación de la curvatura espaciotemporal –donde ni siquiera la luz puede escapar y el tiempo literalmente se detiene– probablemente sean los más incomprendidos del Universo ya que los físicos apenas están dilucidando cómo se comportan y qué los hace tan especiales y misteriosos. 

Este velo de misterio y asombro que los rodea proviene, más que de su propia naturaleza, de la incomprensión humana a la hora de representarlos física y matemáticamente. Además, al contrario de lo que sucede con otros objetos que emiten luz como las estrellas (gracias a los fotones -las partículas de la luz- podemos saber de qué están químicamente compuestas), a los agujeros negros solamente se les puede estudiar de forma indirecta a través de la materia que devoran y las ondas gravitatorias.  

Las ondas gravitatorias, que se propagan a la misma velocidad que la luz, son ondulaciones de la geometría del espacio-tiempo generadas por el movimiento acelerado de objetos extremadamente masivos como los agujeros negros.

Por ello, dichas ondas pueden proporcionarnos pistas sobre la naturaleza de la curvatura del espacio-tiempo, del mismo modo que un arqueólogo reconstruye el pasado a partir de los vestigios que han dejado antiguas civilizaciones.

Otro de los grandes misterios que los envuelve tiene que ver con el hecho de cómo, algunos, llegan a fusionarse en una violenta danza cósmica que parece no tener fin. 

En este sentido, durante mucho tiempo se asumió que casi todos los agujeros negros de masa estelar nacían de la muerte de una estrella masiva mucho más grande que el Sol. Sin embargo, un nuevo trabajo de investigación publicado por científicos del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT, por sus siglas en inglés), basada en datos obtenidos de los detectores de ondas gravitacionales LIGO, Virgo y KAGRA, sugiere que muchos de estos agujeros podrían haber tenido una especie de vida anterior, es decir, serían el resultado de la fusión de dos agujeros negros más pequeños y, posteriormente, volverían a fusionarse en otro agujero negro. 

Este proceso, que ya se conocía desde hace algunos años, recibe el nombre de fusión jerárquica. Sin embargo, lo que ha generado mucho ruido es cómo y por qué existen generaciones de agujeros negros que se fusionan y no únicamente una sola generación. 

Ahora bien, ¿qué fue exactamente lo que hicieron los investigadores del MIT?

El equipo se dio a la tarea de analizar 155 sistemas binarios de agujeros detectados mediante ondas gravitacionales. 

Posteriormente, utilizaron un modelo que estudia la precesión del sistema, es decir, el “bamboleo” que experimenta la órbita cuando los agujeros negros tienen determinadas masas y orientaciones de giro. 

Este patrón de bamboleo puede delatar que uno de los agujeros negros ya era producto de una fusión anterior. 

Lo más interesante de todo es que alrededor del 14% de las fusiones observadas involucran al menos un agujero negro de segunda generación, lo que quiere decir que esta es una cifra considerable porque indica que las fusiones jerárquicas no son tan extrañas, sino un mecanismo sumamente importante de formación de agujeros negros. 

El estudio resulta de suma importancia porque podría ayudar a resolver uno de los grandes misterios surgidos desde que el detector LIGO comenzó a detectar ondas gravitacionales, en 2015. 

Y es que, la teoría de la evolución estelar –que se utiliza para darle sentido a la complejidad inherente a la evolución de las estrellas– predice que resulta muy difícil producir agujeros negros con masas comprendidas aproximadamente entre 45 y 120 masas solares. Ello se debe a un fenómeno conocido como inestabilidad por creación de pares. Este fenómeno hace que las estrellas suficientemente masivas tiendan a destruirse por completo en lugar de dejar un remanente. 

No obstante, LIGO ha observado varios agujeros negros precisamente en ese rango de masas. 

La explicación más plausible a todo esto es que una estrella produce, supongamos, un agujero negro de unas 30 masas solares. Más adelante, éste se fusiona con otro y nace un agujero negro de unas 50 o 60 masas solares. Este agujero de 50 o 60 masas solares vuelve a fusionarse.

Lo que no se sabe bien a bien es si este tipo de fusiones pueden continuar o si existe un límite para que los agujeros negros puedan seguirse fusionando. 

Además, los agujeros negros de más de 50 o 60 masas solares no nacieron directamente de estrellas, sino a partir de otros agujeros negros. 

Pero, ¿cómo se las ingenian los investigadores para saber cuáles agujeros negros son de segunda generación?

Esto lo pueden deducir mediante una combinación de masa y rotación, además de por un fenómeno llamado precesión orbital durante la fusión. 

La precesión orbital es el cambio gradual en la orientación de la órbita de un objeto alrededor de otro, por lo que la órbita no permanece fija en el espacio, sino que va girando lentamente con el tiempo. 

Sorprendentemente, a través de simulaciones por computadora se ha demostrado que los parámetros conservan información sobre el pasado de un agujero negro, de la misma manera en que un geólogo o un arqueólogo pueden reconstruir la historia de una roca o de un objeto observando únicamente su estructura. 

Aunque evidentemente este descubrimiento no modifica la relatividad general de Einstein, la cual es una explicación matemáticamente elegante y comprobada sobre cómo está constituida la estructura espaciotemporal, sí que cambia nuestra visión de cómo evolucionan las poblaciones de agujeros negros en aquellos cúmulos de estrellas que son muy densos (que poseen muchos astros). 

En otras palabras: el final de la vida de una estrella no significa necesariamente que todo termina ahí, sino que se abren muchas posibilidades en las que existen multitud de generaciones de agujeros negros. ¿Cuántas generaciones atrás? Hasta el momento nadie lo sabe, pero podría ser que, en las edades tempranas del Universo, existiesen agujeros negros que lentamente fueron fusionándose para dar lugar al cosmos que actualmente conocemos y habitamos.

Entonces, si ha habido muchas fusiones en el tiempo ¿existirán agujeros negros extremadamente masivos, de millones de masas solares, que ni siquiera nos imaginamos que están ahí?

El problema con estos extraños objetos radica en que, como no emiten luz, la única manera de conocerlos es indirectamente a través de los chorros de gas que emiten cuando tragan materia, o a través de las ondas gravitacionales.

De hecho, este nuevo estudio del MIT representa algo sumamente novedoso porque es un excelente ejemplo de cómo la astronomía de ondas gravitacionales ya no se limita únicamente a detectar eventos individuales y asilados, sino que ha comenzado a reconstruir la historia evolutiva de los agujeros negros. 

Se está abriendo, pues, una nueva era en donde verdaderamente comienza a realizarse una arqueología cósmica donde no solamente se observa una fusión de agujeros negros, sino que además se infiere el pasado de los objetos que participan en ella. 

Todo esto representa un avance trascendental para comprender la evolución del Universo. En cierto sentido, este proceso recuerda a una abstracción matemática y geométrica llamada fractal, la cual está presente en la naturaleza. Los fractales, cuanto más cerca se examinan, mayor es la complejidad que revelan y más patrones emergen de su aparente simplicidad (patrones que parecen repetirse infinitamente), 

De forma semejante, cada mejora en nuestra capacidad para observar el cosmos no solo nos permite descubrir nuevos fenómenos, sino también acceder a capas cada vez más profundas de su historia. Por lo tanto, en la actualidad los astrónomos verdaderamente están realizando una arqueología del Universo donde las ondas gravitacionales son las principales protagonistas al guardar información muy valiosa sobre el pasado de los agujeros negros y sus fusiones. Un tema que, sin duda, resulta fascinante.