Los científicos captan una enorme onda gravitacional que no debería existir

Dos detectores separados por miles de kilómetros han captado la misma señal que corresponde a la fuente de ondas gravitacionales más potente jamás observada. Tal y como predijo Albert Einstein hace más de un siglo, los fenómenos más violentos del cosmos producen estas ondulaciones del espacio-tiempo —el material del que está hecho el universo— que viajan a la velocidad de la luz en todas direcciones como si fueran las ondas de una piedra tirada a un estanque. Al llegar a la Tierra tras recorrer inabarcables distancias cósmicas, estas ondas son tan débiles que Einstein era escéptico de que pudieran captarse.

La señal fue captada el 21 de mayo de 2019 y duró apenas una décima de segundo. Tras más de un año de estudio, el patrón que esta característica vibración produjo en los haces de luz láser de los detectores LIGO, en EE UU, y Virgo, en Italia, ha permitido reconstruir cómo se produjo este fenómeno.

La onda viene de la fusión de dos agujeros negros y sería la mayor captada hasta la fecha, según explican este miércoles en dos estudios los casi 2.000 científicos de 19 países que trabajan con los datos de ambos detectores. El choque se produjo hace unos 7.000 millones de años —antes que la formación del sistema solar y la Tierra— cuando un agujero negro con una masa 85 veces superior a la de nuestro Sol chocó con otro equivalente a unas 66 estrellas solares. Lo interesante es que con las leyes de la relatividad general en la mano y lo que se conoce de la física de las estrellas este fenómeno es imposible de explicar: o bien hay que cambiar la teoría de evolución estelar o bien los agujeros negros involucrados tienen un origen desconocido y aún misterioso.

Este es el descubrimiento más importante en este campo desde que en 2016 se descubriera la primera onda gravitacional

Los agujeros negros son objetos tan densos que su fuerza de gravedad atrae cualquier cosa que caiga en sus fauces, incluida la luz, por eso son invisibles. Tras el choque, estos dos monstruos se devoraron uno a otro y formaron un agujero negro con una masa de 142 soles. El resto de masa se transformó en energía que salió despedida en todas direcciones como la onda expansiva de una bomba que viajó a la velocidad de la luz curvando a su paso el espacio y el tiempo. Los interferómetros láser de LIGO y Virgo, que funcionan como una red de pescar kilométrica hecha con haces de luz láser capaces de detectar vibraciones en el espacio-tiempo hasta 10.000 veces menores que el diámetro de un átomo, captaron la señal, ya debilitadísima, 7.000 millones de años después.

Este es probablemente el descubrimiento más importante en este campo desde que en 2016 se descubriera la primera onda gravitacional y los impulsores de LIGO ganasen el Nobel de Física tan solo un año después. Toni Font, físico teórico de la Universidad de Valencia y colaborador de Virgo, explica por qué: “Hasta ahora todas las fusiones de agujeros negros y estrellas de neutrones que se habían captado eran sabor vainilla; gustaban a casi todos los físicos porque se correspondían con lo que era de esperar”. La fusión anunciada hoy es como un helado de fabada: raro, posible y no gusta a muchos porque les saca de su zona de confort. “Hoy por hoy no estamos preparados para comprender este fenómeno y no podemos responder las muchas preguntas que abre”, explica Font. “Lo más interesante es que el resultado de esta fusión es un agujero de 142 masas solares, algo jamás observado y que por ahora tampoco podemos entender”, resalta.

En el mundo de los agujeros negros hay dos grandes categorías. La primera la forman los de masa estelar, que se forman cuando una estrella muere y su cadáver se derrumba sobre sí mismo para formar el agujero negro. Estos no suelen superar unas pocas decenas de masas solares. La segunda clase son agujeros negros supermasivos, monstruos descomunales con masas de cientos de miles de estrellas como el Sol que se agazapan en el centro de las galaxias, incluida la nuestra. Entre estos dos tipos hay un enorme espacio vacío. Apenas se conocen agujeros negros en el rango intermedio entre los dos tipos mencionados.

Según la física estelar y la relatividad de Einstein, una estrella de entre 65 y 120 masas solares que se muere, explota como una bomba sin dejar ningún rastro. Por eso los dos agujeros negros intuidos por los detectores, de 85 y 66 masas solares, y su producto final, no pueden ser resultado de una muerte estelar: deben de tener un origen alternativo que permite múltiples explicaciones, desde las más conservadoras hasta algunas que podrían merecer otro Nobel y revolucionar nuestra comprensión del universo.

Los científicos de la colaboración analizan la señal y reconstruyen con potentes ordenadores todos los fenómenos que podrían haberla producido, jugando siempre según las reglas de la relatividad general de Einstein. En dos estudios publicados hoy en Physical Review Letters y Astrophysical Journal Letters, aseguran que la explicación más probable es que se trate de una fusión. ¿Cómo se han podido formar dos agujeros negros teóricamente imposibles? “O bien la teoría de evolución estelar que manejamos es incompleta y tenemos que reescribirla, o bien los dos agujeros negros involucrados no provienen de estrellas que murieron, sino que se formaron por fusiones anteriores de agujeros negros más pequeños”, explica Font.

La segunda opción sería posible en ciertas regiones del universo conocidas como cúmulos globulares, esferas descomunales formadas por miles de estrellas. Muchas de ellas mueren y forman miles de agujeros negros que estarían lo suficientemente cerca como para encontrarse, atraerse, chocar y fundirse.

Las incógnitas sobre esta onda son mayores que con las anteriores. Normalmente dos agujeros negros que acercan sus órbitas paulatinamente hasta chocar producen ondas que duran más tiempo y cuya frecuencia va aumentando en lo que los físicos de LIGO y Virgo denominan un “gorjeo”, que termina con un pico en alto. Los científicos han traducido estas ondas a sonido para poder escucharlas en otras ocasiones. El gorjeo previo aporta gran parte de la información sobre las masas, rotación o distancia de los dos agujeros negros. En esta ocasión no se ha podido captar el gorjeo previo, solo el instante final de la fusión, una décima de segundo que oculta muchos de los detalles sobre qué la produjo y cómo, explica Font.

Este fenómeno permite desde las explicaciones más conservadoras hasta algunas que podrían merecer otro Nobel y revolucionar nuestra comprensión del universo

Mucho más improbables, pero también más estimulantes porque se adentran de lleno en lo desconocido, son dos explicaciones alternativas abordadas en el segundo estudio. La primera dice que estamos ante agujeros negros primordiales, coágulos de materia formados segundos después del nacimiento del universo tras el Big Bang —hace 13.700 millones de años— y que estarían hechos de materia oscura. Para que el universo tenga el aspecto y el comportamiento que tiene, el 85% de toda la materia tiene que ser oscura, pero nunca se ha podido averiguar de qué está hecha. Conseguirlo sería un hallazgo histórico, de Nobel.

En la década de los setenta, Stephen Hawking y Bernard Carr propusieron la existencia de estos agujeros negros tan diminutos que su masa no superaría a la de una montaña; pero concluyeron que todos ellos se han evaporado ya. Posteriormente, los físicos teóricos Juan García-Bellido, de la Autónoma de Madrid, y Sébastien Clesse, de la Universidad de Lovaina, propusieron que puede haber agujeros negros primordiales de decenas de masas solares y que juntos podrían constituir toda la materia oscura del universo, o al menos parte de ella.

El hallazgo de ahora resucita esta teoría, pero le para los pies al instante, pues los responsables advierten de que la posibilidad de que sean agujeros primordiales es muy, muy remota. “Con estos datos no podemos afirmar que se trate de agujeros primordiales, solo que no podemos descartar esa posibilidad”, opina García-Bellido. “Probablemente necesitamos reanalizar los datos con otras suposiciones previas y esperar que se detecten más fenómenos de este tipo”, resalta.

Otra de las posibilidades menos probables pero alucinantes es que el origen de esta onda gravitacional más potente de la historia sea una cuerda cósmica, una especie de hilo unidimensional formado fracciones de segundo tras el Big Bang y que, por ahora, solo existe sobre el papel fruto de las teorías de algunos físicos. “Es extremadamente improbable que este evento haya sido producido por una cuerda cósmica”, escriben con cautela los científicos en su segundo estudio para concluir que la opción más probable es la que encaja con lo observado desde 2016: una fusión de dos agujeros negros. Volviendo a los helados, Font reconoce que aún hay tantas incógnitas que lo más prudente para la colaboración científica ha sido quedarse con la vainilla, por ahora.

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