Ilustración de un agujero negro supermasivo binario(Crédito de la imagen: NASA)Las parejas binarias de agujeros negros pequeños podrían ser utilizadas por los astrónomos en un juego cósmico de «escondite» para cazar agujeros negros binarios supermasivos mucho más grandes, aunque más esquivos. La técnica podría, por tanto, ayudar a resolver el misterio de cómo los agujeros negros supermasivos crecieron tan rápido en el universo primitivo.
Detectar agujeros negros no es tarea fácil a pesar de su reputación de temibles titanes cósmicos. Todos los agujeros negros están rodeados por un límite unidireccional que atrapa la luz, llamado «horizonte de sucesos», que garantiza que no emitan luz. Incluso los agujeros negros supermasivos situados en el corazón de galaxias con masas millones o miles de millones de veces superiores a la del Sol sólo son «visibles» si se están dando un festín con una enorme cantidad de materia circundante o si están desgarrando una estrella desafortunada.
Sin embargo, la luz, o «radiación electromagnética» como se la conoce más exactamente, es sólo un tipo de radiación. Otro es la «radiación gravitacional», que se manifiesta en forma de pequeñas ondulaciones que hacen zumbar el espaciotiempo, llamadas «ondas gravitacionales», que la humanidad está empezando a detectar. Esto significa que, en lugar de buscar parejas de agujeros negros supermasivos en este juego del escondite, los astrónomos pueden escucharlas.
Una ilustración de agujeros negros binarios haciendo sonar el espaciotiempo como una campana con ondas gravitacionales. (Crédito de la imagen: ESA-C.Carreau)
«Nuestra idea funciona básicamente como escuchar un canal de radio. Proponemos utilizar la señal de pares de pequeños agujeros negros de forma similar a como las ondas de radio transportan la señal», afirma en un comunicado Jakob Stegmann, jefe del equipo e investigador postdoctoral en el Instituto Max Planck de Astrofísica. «Los agujeros negros supermasivos son la música que se codifica en la modulación de frecuencia (FM) de la señal detectada».
Pequeño agujero negro canta soprano
Las ondas gravitacionales son un concepto que sugirió por primera vez Albert Einstein en la relatividad general, su magnum opus teoría de la gravedad de 1915.
La relatividad general sugiere que la gravedad surge cuando un objeto con masa «deforma» el tejido mismo del espacio y el tiempo, que Einstein había unido previamente como una sola entidad de cuatro dimensiones (tres dimensiones espaciales, una dimensión de tiempo) llamada «espaciotiempo.»
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Cuanto mayor es la masa, mayor es el extremo de la curvatura del espacio que crea un objeto. Esto explica por qué los planetas tienen mayor influencia gravitatoria que las lunas, las estrellas mayor que los planetas y los agujeros negros mayor que cualquier otro objeto.
Una ilustración muestra un agujero negro que causa una deformación «en picado» en el espaciotiempo. (Crédito de la imagen: Robert Lea (creado con Canva))
Einstein también predijo que cuando los objetos aceleran en el espaciotiempo, hacen que su tejido «suene» con ondulaciones u ondas gravitatorias. Éstas son completamente insignificantes para los objetos de poca masa, pero cuando los agujeros negros orbitan uno alrededor del otro (recordemos que el movimiento circular es aceleración), tienen masa suficiente para generar ondas gravitacionales significativas.
A medida que estos agujeros negros giran en espiral uno alrededor del otro, emiten ondas gravitacionales continuas de baja frecuencia. Estas ondas gravitacionales se llevan el momento angular (o espín), forzando a los agujeros negros a juntarse, un proceso llamado «inspiralling». Esto aumenta la frecuencia de las ondas gravitacionales, haciendo que el momento angular se desplace cada vez más rápido.
Eso es hasta que los agujeros negros finalmente chocan y se fusionan, un evento que envía un «grito» de ondas gravitacionales de mayor frecuencia.
Un diagrama que muestra las frecuencias de las ondas gravitacionales emitidas por agujeros negros binarios durante el proceso de fusión (Crédito de la imagen: LIGO)
Incluso así, Einstein predijo que estas ondulaciones del espaciotiempo serían demasiado débiles para ser detectadas jamás, sobre todo porque perderían energía al propagarse por el cosmos y las fusiones de agujeros negros se producen a millones o incluso miles de millones de años luz de distancia.
Afortunadamente, ahora sabemos que Einstein estaba equivocado.
Desde la detección de la primera señal de ondas gravitacionales por el Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferómetro Láser (LIGO) en 2015, que se originó en una fusión binaria de agujeros negros a 1.300 millones de años luz, se han detectado muchas colisiones de agujeros negros de este tipo.
Pero estas detecciones tienen algo en común. Cuando se trataba de agujeros negros, siempre se trataba de pares en el rango de los agujeros negros de masa estelar, con masas entre tres y varios cientos de veces la del Sol. Las fusiones de agujeros negros supermasivos han sido esquivas para los detectores terrestres de ondas gravitacionales como LIGO y sus compatriotas VIRGO en Italia y el Detector de Ondas Gravitacionales de Kamioka (KAGRA) en Japón.
Diagrama del espectro de ondas gravitacionales. (Crédito de la imagen: NASA Goddard Space Flight Center)
Al igual que nuestros oídos han evolucionado para escuchar ciertas frecuencias de sonido y no otras, estos instrumentos sólo pueden detectar un cierto rango de frecuencias de ondas gravitacionales. Las ondas gravitacionales emitidas por pares de agujeros negros supermasivos que se arremolinan son de una frecuencia demasiado baja para que los detectores terrestres de ondas gravitacionales puedan «oírlas».
En otras palabras, con sus ondas gravitacionales, las binarias de masa estelar cantan soprano, mientras que los emparejamientos supermasivos cantan barítono.
Este equipo propone detectar el sutil cambio en las ondas gravitacionales de las binarias de agujeros negros de masa estelar que provocan las ondas gravitacionales interferentes de las binarias supermasivas.
Estas pequeñas modulaciones podrían, por tanto, ayudar a revelar fusiones de agujeros negros supermasivos que actualmente sólo son detectables como un «zumbido de fondo» colectivo utilizando vastas colecciones de estrellas de neutrones que giran rápidamente llamadas «conjunto de temporización de púlsares.»
«Lo novedoso de esta idea es utilizar altas frecuencias fáciles de detectar para sondear frecuencias más bajas a las que aún no somos sensibles», afirma Stegmann.
La propuesta también podría ayudar a dirigir el diseño de futuros detectores de ondas gravitacionales, como el próximo detector espacial LISA (Laser Interferometer Space Antenna) de la NASA y la Agencia Espacial Europea (ESA).
«Como el camino para LISA ya está trazado, tras su adopción por la ESA el pasado enero, la comunidad necesita evaluar la mejor estrategia para la siguiente generación de detectores de ondas gravitacionales», afirmó Lucio Mayer, miembro del equipo y teórico de agujeros negros de la Universidad de Zúrich. «En particular, a qué rango de frecuencias deberían apuntar: estudios como éste aportan una fuerte motivación para priorizar un diseño de detector deci-Hz [de baja frecuencia] ».
La investigación del equipo se publicó el lunes (5 de agosto) en la revista Nature.
