GW190521: la fusión de agujeros negros más masiva

Por Daniel Marín, el 3 septiembre, 2020. Categoría(s): Astronomía • Estrellas • Física ✎ 146

El ser humano tiene una enorme capacidad para acostumbrarse a las cosas más terribles, pero también a las más maravillosas. Ya casi no es noticia la detección de ondas gravitacionales, pese a que solo llevamos cinco años captando estas distorsiones del espacio tiempo predichas hace más de un siglo por Albert Einstein. Afortunadamente, la naturaleza nos ha recordado que todavía quedan muchas sorpresas por descubrir gracias a GW190521, la señal de ondas gravitatorias producida por la fusión de los agujeros negros más masivos detectados hasta la fecha. Como su nombre indica, GW190521 fue detectada el 21 de mayo de 2019 por los dos detectores del observatorio LIGO estadounidense —uno en Hadford y otro en Livingston—, además de por el observatorio Virgo europeo. La señal de 60 herzios apenas duró una décima de segundo, pero fue el resultado de la fusión de un agujero negro de 85 masas solares con otro de 66. El choque tuvo lugar a unos 17 mil millones de años luz (!) y dio como resultado un agujero negro de 142 masas solares. Sí, efectivamente, 85 más 66 no suman 142. La masa que falta se transformó en energía, una energía que se transmitió en su inmensa mayoría en forma de ondas gravitacionales.

GW190521 es todo un récord (LIGO).

El descubrimiento es llamativo porque los dos agujeros negros progenitores pertenecen a la familia de agujeros negros de masa intermedia, un tipo de cuerpos situados entre los agujeros negros de masa estelar —que se explican fácilmente por el colapso de estrellas muy masivas— y agujeros negros masivos y supermasivos que se encuentran en el centro de las galaxias —y que se han formado por la unión de muchos agujeros negros—. Ahora bien, lo cierto es que este hecho en sí no es especialmente sorprendente porque la mayor parte de sucesos de ondas gravitacionales detectados por LIGO se han generado mediante la unión de agujeros con una masa considerable.

Agujeros negros y fusiones de estos detectados por LIGO (azul) y otros agujeros negros (púrpura) y estrellas de neutrones (amarillo) (LIGO).

El límite superior de masa para un agujero negro formado por la muerte de una estrella no se conoce con exactitud, pero la mayoría de supernovas suelen producir agujeros negros que no superan las 15 masas solares. Sin embargo, según varios modelos se pueden crear agujeros más masivos, de entre 40 y 65 masas solares, cuando muere una estrella por otros mecanismos. Del mismo modo, se supone que estrellas excepcionalmente gigantes pueden crear agujeros negros de más de 120 o 130 masas solares. O sea, según lo que sabemos de los procesos de formación estelar, una estrella al morir no puede formar agujeros negros de entre 60 y 120 masas solares, aproximadamente (estos límites son muy orientativos). Por estos motivos, la masa de los agujeros negros progenitores que han sido detectados por LIGO ha sido una sorpresa inesperada. Teniendo en cuenta que la mayoría de estrellas forman parte de sistemas múltiples, antes de 2016 los investigadores esperaban que las primeras ondas gravitacionales se generarían mediante fusiones de agujeros negros en el que, al menos uno de ellos, tuviese una masa no muy superior a la solar. Pero la primera señal detectada por LIGO correspondió a la unión de dos agujeros negros con una masa de 36 y 29 masas solares respectivamente. Lejos de ser una anomalía, como se especuló al principio, casi todos los demás sucesos han seguido el mismo patrón, involucrando a agujeros relativamente grandes.

Características de GW190521 (LIGO/VIRGO).

Para explicar este exceso de agujeros negros masivos, los investigadores han recordado que los modelos teóricos permiten, como hemos visto, la formación directa de un agujero negro de hasta 60 o 65 masas solares mediante la muerte de una estrella gigante. Otra hipótesis alternativa es que estos agujeros intermedios se hayan formado en realidad por la unión sucesiva de agujeros negros pequeños (de masa estelar «pequeña»). Para que este último escenario sea posible, es necesario que las estrellas de las que nazcan los agujeros negros estén muy cerca, una condición que solamente puede darse en cúmulos estelares muy densos, como por ejemplo, el centro de los cúmulos globulares. Precisamente, uno de los agujeros progenitores de la señal GW190521 tenía 85 masas solares, es decir, era demasiado masivo para haberse creado por colapso estelar (y el otro agujero negro de 66 masas solares queda en el límite). Por tanto, GW190521 refuerza la hipótesis de la formación de estos agujeros negros en cúmulos estelares. No obstante, el problema de esta teoría es que sirve para explicar la formación de agujeros negros de masa media, pero también predice que el agujero negro resultante de una fusión es probable que salga expulsado del cúmulo, impidiendo su posterior unión con otro agujero negro. En definitiva, la observación de ondas gravitacionales nos sigue regalando sorpresas. Algo normal cuando observamos el Universo a través de una nueva ventana.

Detalles de la señal detectada por los distintos interferómetros (LIGO).

Referencias:

  • https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.101102
  • https://francis.naukas.com/2020/09/02/gw190521-la-fusion-de-agujeros-negros-mas-masiva-observada-por-ligo-virgo/


146 Comentarios

  1. Tenía ganas de ver este articulo aquí después de leer la noticia.
    Para los entendidos en el tema, tengo una duda.
    ¿Cómo se propagan las ondas gravitacionales? ¿Se propagan en un plano o se propagan en todas direcciones?
    Gracias por adelantado

    1. No soy ningún entendido, pero se propagan en todas las direcciones, son tridimensionales. Lo que se detecta realmente es la deformación del espacio mismo.

      1. Correcto, aunque realmente la deformación es más temporal que espacial, con diferencia. Y no me refiero sólo a las ondas gravitacionales, la mismísima gravedad es así.

        Eso que coloquialmente llamamos «pozo gravitatorio»… que para Newton era una fuerza y para Einstein es una curvatura local en la geometría del espacio-tiempo… tiene dramáticas consecuencias en la manera como los cuerpos se desplazan por el espacio, obviamente… pero el «pozo» en sí es mayormente curvatura de la dimensión tiempo, las tres dimensiones espaciales se ven poco afectadas.

  2. Lo de que sólo se detecten colisiones de agujeros grandes ¿no era por las limitaciones de los detectores actuales? Creía que el poner un detector de éstos en el espacio era para detectar señales más débiles procedentes de agujeros negros más pequeños.

  3. Offtopic relacionado: procesar la cantidad de información que da LIGO respecto a agujeros negros es caro, muy caro. Una posibilidad de contribuir a estudios relacionados con los agujeros negros y con la formación es prestando capacidad de cálculo de vuestros ordenadores. Siempre son bienvenidos (si tenéis una tarjeta gráfica perfecto, pero no es necesario). Si queréis echar una manita y no os importa que el ordenador se caliente un poquito (y gaste un poquito más de electricidad), os animo a considerad esta propuesta. 🙂

  4. Un acontecimiento fantástico. La frecuencia de la corriente alterna en Sudamérica y Europa generalmente es de 50 Hz en USA y Canadá de 60 Hz. Casualmente la frecuencia del tren de ondas gravitatorias es de 60 Hz y duro décimas de segundo. Según normativas un disyuntor diferencial esta calibrado con una pequeña descarga de 30 miliampers en 30 milisegundos para salvar las vidas. Me da la impresión de que un tren de ondas de 60 Hz en décimas de segundo en un radio de miles de años luz es capaz de pegarle un serio golpe a cualquier forma de vida posible, de esa galaxia o cúmulo globular. AN binarios tan pesados como estos en nuestra galaxia nos podrían pegar un lindo cosquilleo!! (Cuidado no estoy confundiendo electromagnetismo con gravedad, pero los dos campos son capaces de producir corrientes de materia)

    1. https://twitter.com/emulenews/status/1301567955705229312

      Pero tu pregunta es sobre el efecto de la energía gravitacional; la onda gravitacional genera efectos de marea (te estira y te contrae de forma rápida, lo que puede ser peligroso para tu cuerpo). La distancia «peligrosa» será menor de unas decenas de miles de kilómetros Para distancias mayores (pongamos la distancia Tierra-Luna) tu cuerpo puede aguantar estas fuerzas de marea sin muchos problemas. Aunque la energía propagada por la onda gravitacional es enorme a dicha distancia, como está asociada al propio espaciotiempo y no a ningún objeto……no notarás nada. Recuerda por ejemplo que tu cuerpo se alarga y contrae todos los días unos centímetros (eres más alto al acostarte en la cama que al levantarte por la mañana, podemos asumir que es seguro estirarte y contraerte centímetros.

      1. Creo que lo de las llamas es que el raptor en regímenes tan bajos es complicado. Deberían incrementar el lastre en otras 20 toneladas para evitar complicaciones.

        1. No creo que sea tanto el motor el que arde como cosas cercanas o acumulaciones de combustible cercanas que arden por la alta temperatura del chorro. A saber.

  5. OT:

    El oxígeno de la Tierra podría haber ‘oxidado’ la Luna

    Un artículo de la revista Science Advances dice que se halló hematita -forma mineral del óxido férrico- en regiones de alta latitud de la Luna lo que habría hecho que el oxígeno de la atmósfera de la Tierra haya oxidado su satélite.

    Publicado hace 20 horas on 02/09/2020
    Por Forbes

    El hallazgo de hematita en regiones de alta latitud de la Luna ha llevado a los científicos que estudian los planetas a sospechar que el oxígeno de la atmósfera de la Tierra puede haber “oxidado” su satélite, según un artículo que publica este miércoles la revista Science Advances.

    La hematita, también llamada oligisto o acerina, es la forma mineral del óxido férrico, y su nombre deriva del término griego que alude al color rojo de su polvo, y los científicos descubrieron su presencia mediante el análisis los datos de reflectancia hiper espectral adquiridos por un instrumento de la NASA en la misión lunar Chandrayaan-1.

    La hematita es muy común en la Tierra pero dado que la superficie y el interior de la Luna carecen de oxígeno, el hierro metálico prístino está presente en el satélite y no se había confirmado la existencia de hierro altamente oxidado en las muestras recogidas por los astronautas en las misiones Apolo.

    Además, el hidrógeno contenido en el viento solar hornea la superficie lunar en un proceso que se opone a la oxidación, de manera que la existencia de minerales que contienen hierro y están altamente oxidados sorprendió a los investigadores.

    “Nuestra hipótesis es que la hematita lunar se formó mediante la oxidación de hierro en la superficie lunar por el oxígeno presente en la atmósfera superior de la Tierra empujado continuamente a la superficie lunar por el viento solar en los períodos, durante varios miles de millones de años cuando la Luna ha estado en la estela magnética de la Tierra”, explicó Shuai Li, del Instituto de Geofísica y Planetología en Hawaii.

    Esta nueva investigación fue resultado de los descubrimientos hechos en 2018 por Li sobre hielo de agua en las regiones polares de la Luna. Li explicó que cuando examinó los datos de las regiones polares encontró “algunas características y pautas espectrales que son diferentes de las que se aprecian en latitudes más bajas o en las muestras recogidas durante el programa Apolo”.

    “Sentí curiosidad por determinar si sería posible que fuesen reacciones entre el agua y la roca en la Luna”, relató. “Después de meses de investigación me di cuenta de que lo que estaba observando eran trazas de hematita”.

    El equipo de Li determinó que los sitios donde está presente la hematita están firmemente vinculados con el contenido de agua en altas latitudes que Li y otros investigadores habían ubicado anteriormente, y que están más concentrados en la cara de la Luna que siempre enfrenta la Tierra.

    “El hecho de que haya más hematita en la cara cercana de la Luna indica que puede estar relacionada con la Tierra”, señaló Li. “Esto me hizo acordar de un descubrimiento de la misión japonesa Kaguya de que el oxígeno en las capas superiores de la atmósfera de la Tierra puede ser ‘soplado’ cuando la Luna se encuentra en la estela magnética de la Tierra”.

    “Es decir que el oxígeno atmosférico de la Tierra podría ser el mayor oxidante en la producción de la hematita (…:) El agua y el impacto del polvo interplanetario también pueden haber desempeñado papeles decisivos”, agregó.

    Fuente: forbes.co/2020/09/02/forbes-life/el-oxigeno-de-la-tierra-podria-haber-oxidado-la-luna/

      1. …no entiendo:

        Según tú, estas contradiciendo a la misma NASA:

        actualidad.rt.com/actualidad/365363-desconcertante-cientificos-descubren-luna-oxidando-imposible

        Ilustrarme…

        1. No, lo que JulioSpx está contradiciendo es este furcio en el artículo de Forbes…

          «…dado que la superficie y el interior de la Luna carecen de oxígeno…»

          …que dicho así, a secas, sin contexto, es un disparate. Las dos primeras gráficas de aquí le dan toda la razón a JulioSpx…

          en.wikipedia.org/wiki/Lunar_soil#Mineralogy_and_composition

          PERO… atención a lo que dice el párrafo inmediatamente anterior a esas gráficas:

          There are two profound differences in the chemistry of lunar regolith and soil from terrestrial materials. The first is that the Moon is very dry […] The second difference is that lunar regolith and crust are chemically reduced, rather than being significantly oxidized like the Earth’s crust. In the case of the regolith, this is due in part to the constant bombardment of the lunar surface with protons (i.e. hydrogen (H) nuclei) from the solar wind. One consequence is that iron on the Moon is found in the metallic 0 and +2 oxidation states, whereas on Earth iron is found primarily in the +2 and +3 oxidation states.

          Es decir… una cosa es que en la Luna existe oxígeno en ingentes cantidades industriales al por mayor en forma de basaltos… y otra cosa totalmente distinta es que en la Luna pueda formarse hematita (Fe₂O₃), he ahí la noticia… y conviene leerla de mano de la propia NASA, pues el asunto «reducción versus oxidación» está bien explicado…

          https://www.jpl.nasa.gov/news/news.php?release=2020-171

          Metal Mystery
          The mystery starts with the solar wind, a stream of charged particles that flows out from the Sun, bombarding Earth and the Moon with hydrogen. Hydrogen makes it harder for hematite to form. It’s what is known as a reducer, meaning it adds electrons to the materials it interacts with. That’s the opposite of what is needed to make hematite: For iron to rust, it requires an oxidizer, which removes electrons. And while the Earth has a magnetic field shielding it from this hydrogen, the Moon does not…

      1. Starlink necesita esas conexiones láser como el agua: los datos de las primeras pruebas que se han filtrado de la fase beta están muy lejos de lo prometido.

        1. Las informaciones publicadas por particulares sobre las betas de Starlink no son representativas.

          Más vale que escuches la versión de SpX, muy distinta, en el webcast.

        2. Starlink será un éxito, independiente de la velocidad.

          Más que nada porque será utilizada por los militares ya que una constelación de ese tamaño, con tantos «relays» posibles (y en distintas alturas) es casi imposible de tumbar.

          El ejército no va a desdeñar un recurso como ese. De hecho ya han hecho pruebas al respecto.

    1. StarLink:

      Cual cuando genere dividendos, entonces si sera un logro…

      StarShip:

      Felicitaciones, ahora estamos 150 m mas cerca de los 54.000 millones de metros que nos separan de marte! 😉

    2. Lanzamiento Starlink 11. Durante el webcast han dicho:

      – Las pruebas beta de Starlink marchan muy bien (diga lo que diga Hilario):
      Latencia súperbaja y más de 100 MB/s de ancho de banda (creo que ha dicho megabytes y no megabits). Suficiente para descargar varios vídeos en streaming simultáneamente y que aún sobre capacidad.

      – Pero la sorpresa es que ya han probado los enlaces láser intersatélite entre dos satélites en órbita.
      Con enlaces láser, Starlink puede transmitir cientos de Gigabytes por segundo entre satélites, con lo que multiplicará sus prestaciones iniciales.

      Será un monstruo en cuanto a prestaciones.

      *****

      Salto de 150 metros de la Starship SN6.
      Rutina.

      Han llegado piezas del SN10, y pronto empezarán a construir el SuperHeavy SN1.

      Starship y Starlink, los dos megaproyectos de futuro de SpX, marchan de maravilla.

      1. Kate Tyce, en el webcast de Starlink:
        «Con los enlaces láser, Starlink será una de las opciones más rápidas disponibles para transmitir datos alrededor del mundo».

        spacex.com/launches

        Hace casi un año, Gwynne Shotwell dijo que los enlaces láser intersatélite aparecerían a finales de 2020. Ok, Gwynne.
        Hace poco, otro directivo de SpX dijo que estaban trabajando agresivamente en los enlaces láser y en reducir sus costes.

        713 satélites lanzados.

  6. Han hallado el gorro que Korolev usaba para dormir!
    Segun fuentes del Natsional’nyy Institut Kosmicheskoy Arkheologii (Национальный институт космической археологии), en Moscu, el gorro estaba escondido en el desvan de la casa del Heroe de la Union Sovietica (ahora museo) olvidado alli una noche que se habria enemistado con su señora esposa.
    (Parraga, hay que distraer la atencion de los logros de SpaceX)

    1. Aquí si va este comentario:

      StarLink:

      Cual cuando genere dividendos, entonces si sera un logro…

      StarShip:

      Felicitaciones, ahora estamos 150 m mas cerca de los 54.000 millones de metros que nos separan de marte! 😉

  7. Perdona mi ignorancia Daniel, pero según tengo entendido el consenso actual de la comunidad científica es que el universo tiene una edad de 13700 millones de años de antigüedad, por tanto ¿Cómo podemos detectar ondas gravitacionales generadas a 17000 millones de años luz? ¿Viajan más rápido que la luz? Porque de otro modo la colisión de agujeros negros que la generó tendría que haber tenido lugar antes del Big Bang.

    Saludos.

      1. Se te coló una «L» de más… o el artículo de Xataka fue corregido 😉

        Las ondas gravitacionales del evento han viajado durante unos 7000 millones de años, a secas.

        Eso equivale a una distancia de 7000 millones de años LUZ en el caso de un universo estático (que no se contrae ni se expande).

        Pero nuestro universo se expande, de modo que mientras las ondas gravitacionales viajaban desde entonces-allí (donde ocurrió la fusión de esos dos agujeros negros) hasta ahora-aquí (donde estamos nosotros), el propio espacio recorrido y por recorrer crecía.

        Lee la primera página de comentarios, en particular este comentario de Albert…
        https://danielmarin.naukas.com/2020/09/03/gw190521-la-fusion-de-agujeros-negros-mas-masiva/#comment-505655

        …relativo a esta entrada de Francis…
        francis.naukas.com/2020/09/02/gw190521-la-fusion-de-agujeros-negros-mas-masiva-observada-por-ligo-virgo/

  8. Flipo y aplaudo a Daniel y los blogueros que han aclarado temas de tiempo, distancias etc que superan lo que creíamos conocer (los legos) y pienso….. nuestro universo será isla de otro mayor? Se podría tener alguna prueba con los medios actuales, cada vez más sorprendentes y potentes?

    1. ¿Nuestro universo será «una isla» de otro mayor?
      Sí, y en más de un sentido:

      1) Nuestro universo observable (que es finito) es parte del universo total (que podría ser infinito).

      2) Según la teoría de la inflación caótica eterna, nuestro universo total sería uno de los infinitos universos del Multiverso.

      3) La combinación de todas las posibilidades teóricas da como resultado una diversidad de multiversos de complejidad creciente que el cosmólogo Max Tegmark clasificó en 4 Niveles.

      Todo eso y MUCHO más lo encuentras explicado y/o documentado con enlaces en los comentarios aquí:
      https://danielmarin.naukas.com/2018/06/30/radio-skylab-56-ingravidez/

      .

      ¿Se podría tener alguna prueba con los medios actuales?

      Según nuestro conocimiento actual es imposible tener pruebas directas. No es un problema tecnológico, dependiente de mejores instrumentos. El problema es que nuestro universo está causalmente desconectado de los demás.

      Por ejemplo, para ver nuestro universo total, es decir, para ver más allá de nuestro universo observable, sería necesario que existiera algún tipo de señal capaz de propagarse más rápido que la velocidad de la luz, lo cual sería una flagrante violación de la causalidad (el efecto ocurriría ANTES que la causa, la información se propagaría hacia atrás en el tiempo).

      A lo más que podemos aspirar es encontrar pruebas indirectas, algo «por el estilo» como el Cosmic Microwave Background o las Baryon Acoustic Oscillations pero incluso más arcaico. Alguna «huella impresa» reliquia de interacciones ocurridas en el pasado remoto muy próximo al Big Bang, cuando todas las distancias eran tan cortas que permitían interacciones entre regiones que luego, debido a la expansión, quedaron causalmente desconectadas.

  9. Uppppss ! Gracias Pelau. (Interesante discusión)

    Se me escapa casi todo pero entiendo que ni siquiera podemos asomarnos al borde para detectar esos efectos indirectos que allí quizás fueran más evidentes. Según lo que leo, no podemos llegar a “finisnuestruniverso” para buscarlas. Igual es solo cuestión de tiempo. En mi caso de imaginación.

    Solo superada por el conocimiento de otros. Bravo!

    Merecéis premio al cuadrado.

Deja un comentario