Ondas gravitacionales al límite de la imaginación

Las ondas gravitacionales observadas por LIGO y Virgo desde 2015, tienen una particularidad: las teorías actuales no pueden explicar su existencia.

Foto: LIGO

Al adentrarse en la espesura de la selva, un explorador no sabe qué le aguarda. No puede ver el horizonte y a veces ni siquiera puede ver el cielo. No hay camino más allá del que pueda abrirse por su propios medios. No sabe si la senda que se abre entre rocas, árboles y matorrales lleva a algún lado.

Cuando el 14 de Septiembre de 2015 los detectores del observatorio LIGO detectaron por primera vez la señal producida por la colisión de dos agujeros negros en forma de ondas gravitaciones, se abrió una senda cuya existencia apenas sospechábamos. Nos guiaron hacia ella las ecuaciones de la relatividad general formuladas por Albert Einstein hace poco más de un siglo. De aquí en adelante, es terra incognita.

Este martes se anunció que encontramos algo insospechado en la senda de las ondas gravitacionales. Dos colaboraciones compuestas por más de un millar de científicos alrededor del mundo, anunciaron el descubrimiento de la onda gravitacional más energética conocida hasta la fecha, GW190521. Este evento, sucedido el 21 de Mayo de 2019, corresponde a cuatro pulsaciones de menos de una décima de segundo registradas por los dos centros del Observatorio de Ondas Gravitatorias con Interferómetro Láser (LIGO) en Estados Unidos y el observatorio Virgo en Italia, que en combinación forman uno de los instrumentos de medición más precisos en la historia de la humanidad.

Aunque GW190521 se une a la decena de eventos de ondas gravitacionales observados por LIGO y Virgo desde 2015, tiene una particularidad: las teorías actuales no pueden explicar su existencia. Se cree que los agujeros negros que son el remanente de estrellas que tienen más de 20 veces la masa del Sol. Pero las masas de los agujeros negros responsables por GW190521, aproximadamente 85 y 66 veces la masa de Sol, son demasiado grandes para ser explicadas con las teorías actuales que explican la formación de estrellas.

No estamos esperando física tremendamente exótica para explicar la masa de los agujeros negros que produjeron GW190521. Pero es la complejidad de los procesos que llevan al gas que existe en el universo a enfriarse, colapsar gravitacionalmente y formar una estrella hacen que este problema no tenga una solución simple. Sabíamos de la existencia de agujeros negros con algunas decenas de veces la masa del Sol. También sabíamos de la existencia de agujeros negros supermasivos, con millones y hasta miles de millones de veces la masa del Sol, en el centro de la Vía Lactea y otras galaxias. Como la masa de los agujeros negros progenitores y el producto de la colisión que originó GW190521 cae justo en medio de estos dos regímenes, los astrofísicos le han puesto al problema el original nombre de “agujeros negros de masa intermedia” y han vuelto al tablero para explicar por qué no se habían visto antes.

Es un problema más complicado que explicar por qué no son más grandes los buñuelos de una panadería, pero puede imaginarlo en los mismos términos. Si la masa de un buñuelo comestible está limitada por la cantidad que permite que se cocine la superficie y no quede crudo su interior, la masa de una estrella está limitada por la cantidad de materia que se puede acumular antes de que la emisión de energía que produce esa acumulación disperse cualquier cantidad adicional de materia, lo que se conoce como el límite de Eddington. Este límite es de alrededor de 120 masas solares y puede llegar a ser de hasta 300 masas solares para las primeras estrellas en el universo. Pero si bien una estrella de 120 masas solares puede formar un agujero negro de 65 masas solares, una estrella de más de 120 masas solares es tan inestables que al final de su vida no dejaría ningún agujero negro -como si el enorme buñuelo estallara en el aceite-. El más pesado de los dos agujeros negros que produjeron la señal de GW190521 es el primero hasta ahora detectado en el rango de masa de inestabilidad.

Una posibilidad es que los agujeros negros como los progenitores de GW190521 sean el producto de dos agujeros negros más pequeños, y exista toda una jerarquía de agujeros negros que se unen y forman otros más grandes. Pero determinar si estas familias de agujeros negros existen y determinar si esa acumulación puede suceder lo suficientemente rápido son preguntas que aun no tienen solución. La ondas gravitacionales son sin duda uno de los descubrimientos más emocionantes del siglo XXI. Revelan algo tremendamente profundo sobre la naturaleza de nuestro universo y ahora revelan un punto ciego en nuestra comprensión de la formación y la evolución de las estrellas y los agujeros. Estamos en la senda de las ondas gravitacionales. Cada paso que damos es sobre un terreno inexplorado y cada descubrimiento abre otro camino. LIGO y Virgo suspendieron sus operaciones el pasado 27 de Marzo como consecuencia de la pandemia de COVID-19. Ahora son los virólogos y epidemiólogos los que transitan una senda nunca antes recorrida. El virus al igual que las ondas gravitacionales revelan que las sorpresas que nos guarda la naturaleza más allá del mundo que nos revelan todos los días nuestros sentidos son inmensas.

*Juan Diego Soler, astrofísico colombiano.