Los astrónomos sospechan que una variación de un fenómeno espacio-temporal nunca visto podría explicar una fusión de agujeros negros “imposible” que ha desconcertado a los expertos durante años. Pero si su teoría es correcta, podría generar un misterio completamente nuevo por resolver.
El 23 de noviembre de 2023, las dos instalaciones del Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) —situadas en Washington y Louisiana— detectaron un conjunto inusual de ondas gravitacionales. Estas ondas, que ondulan el tejido del espacio-tiempo, pueden ser provocadas por algunos de los eventos más potentes del universo, como explosiones estelares y neutrones que giran rápidamente. Pero en este caso, la señal, denominada GW231123, se originó a partir de una pareja de agujeros negros que chocaban a unas 2 mil millones de años luz de la Tierra.
La fusión también acaparó la atención de los medios como la colisión de agujeros negros más masiva hasta la fecha, con los dos agujeros negros progenitores dando origen a una singularidad de alrededor de 230 veces la masa del Sol. El único problema es que los agujeros negros en colisión —que pesaban 100 y 130 masas solares, respectivamente— son demasiado grandes para ser explicados por nuestra comprensión actual del universo.
La pareja se ubica en lo que los astrónomos llaman una “brecha de masa”, lo que significa que son demasiado grandes para ser agujeros negros de masa estelar, formados por el colapso de estrellas, pero son más pequeños que los agujeros negros de masa intermedia, los cuales aún no entendemos completamente. Añadiendo a lo extrañado, los agujeros negros giraban mucho más rápido de lo esperado cuando se estrellaron entre sí.
Los investigadores han planteado varias explicaciones posibles para los tamaños “prohibidos” de los agujeros negros. Un estudio publicado el año pasado propuso una nueva vía por la cual las singularidades de este tamaño podrían formarse: a través del colapso de estrellas más grandes que, de otro modo, explotarían como supernovas. Sin embargo, esta idea va en contra de gran parte de la evidencia observacional previa.
Ahora, en un estudio publicado el 25 de agosto en The Astrophysical Journal Letters, los investigadores proponen una explicación más simple, pero igual de intrigante para GW231123. Sugieren que la señal de la fusión fue distorsionada por un extraño fenómeno del espacio-tiempo llamado lente gravitacional, que ocurre cuando emisiones distantes pasan a través de parches de espacio-tiempo distorsionado doblado por la gravedad de objetos masivos en primer plano.
Este efecto ha demostrado que puede magnificar, o de otra forma distorsionar, fuentes de luz distantes en muchas ocasiones. Sin embargo, hasta ahora, los investigadores no habían encontrado evidencia de que la lente gravitacional pudiera ocurrir en las ondas en el espacio-tiempo.
“Al igual que la luz, las ondas gravitacionales también pueden desviarse, magnificarse y dividirse en múltiples señales por objetos masivos,” dijo en un comunicado la coautora del estudio Miguel Zumalacárregui, astrofísico del Instituto Max Planck de Física Gravitacional en Alemania. “Para las ondas gravitacionales, los efectos de difracción e interferencia nos dan una forma adicional de identificar y estudiar señales lenteadas.”
Magnificación cósmica
La idea de la lente gravitacional fue propuesta por primera vez en 1915 por la teoría de la relatividad general de Albert Einstein, que sostiene que la gravedad de objetos masivos, como galaxias o agujeros negros, deforma el espacio-tiempo que los rodea. Si tal objeto se ubica directamente entre la Tierra y otro objeto más lejano, la luz de este último puede atravesar el espacio-tiempo distorsionado, doblándose efectivamente alrededor del objeto intermedio. Como resultado, la luz puede magnificarse, difractarse o alterarse de otras maneras, tal como ocurriría al pasar por una lente de vidrio.
Este efecto puede crear espectáculos deslumbrantes, incluidos aureolas de luz conocidas como anillos de Einstein, estructuras inusualmente en forma de cruz, y múltiples copias de una misma fuente de luz. Al estudiar estas curiosidades luminosas, los investigadores pueden estimar la masa de los objetos que producen el lente, revelando así discrepancias ocultas causadas por la materia oscura y proporcionando uno de nuestros mejores métodos para estudiar esta sustancia esquiva.
En el nuevo estudio, los investigadores modelaron cómo podrían verse alteradas las ondas gravitacionales por un objeto lente. Descubrieron que la señal GW231123 podría haber sido magnificada, lo que habría exagerado en gran medida las masas de los agujeros negros involucrados.
“Si asumimos que GW231123 fue desviada y distorsionada por un objeto compacto de aproximadamente 190 a 850 masas solares —o por una estructura extendida como una aglomeración globular— podemos entender las masas observadas tan altas,” dijo en el comunicado la primera autora del estudio Srashti Goyal, investigadora postdoctoral en el Instituto Max Planck de Física Gravitacional. “Además, la interpretación por lente no requiere giros inusualmente altos.”
Tomando esto en cuenta, la masa total del agujero negro recién fusionado sería de alrededor de 140 masas solares en lugar de las 230 masas solares que midieron inicialmente los investigadores, lo que significa que los agujeros negros en colisión que lo formaron ya no se encontrarían en la problemática brecha de masa. También sugiere que el agujero negro podría estar aún más alejado de la Tierra de lo que los astrónomos creían.
Sin embargo, si bien la lente gravitacional de las ondas gravitacionales es teóricamente posible, nunca se ha observado antes. El nuevo estudio también es puramente teórico — los investigadores no cuentan con evidencia directa de lentes, como un anillo de Einstein acompañante — por lo que se necesita más trabajo para demostrar que esto podría haber sido lo que ocurrió aquí, señalaron los investigadores.
Un nuevo misterio
La nueva teoría podría, por fin, esclarecer el misterio de GW231123. Pero al hacerlo, genera otra pregunta intrigante: ¿Qué fue lo que lenteó la señal desconcertante?
En la mayoría de los casos de luz lenteada gravitacionalmente, el objeto que provoca el lente es algo inmenso, como una galaxia, que puede ser trillones de veces más masivo que el Sol. Pero los modelos de los investigadores sugieren que cualquier objeto lente potencial aquí debe ser mucho más pequeño, y no han logrado detectar nada que se ajuste entre la Tierra y el punto de origen de GW231123.
“La naturaleza del lente sigue siendo un gran misterio en nuestro análisis, ya que lentes compactos individuales con 100–1,000 masas solares deberían ser extraordinariamente raros,” dijo Zumalacárregui. “Trabajos futuros deberán determinar si pueden formarse tales lentes, o si un conjunto de objetos más ligeros, incluidas estrellas, pueden explicar este suceso.”
Si el equipo logra averiguar qué pudo haber magnificado la señal y demostrar que las ondulaciones del espacio-tiempo han sido distorsionadas, podría ser transformador para la astronomía futura. Si las ondas gravitacionales pueden ser lentes, se abre la posibilidad de estudiar fusiones de agujeros negros antiguos u otros eventos cósmicos similares que de otro modo estarían demasiado lejos para detectarlos. Los investigadores también creen que analizar los patrones de difracción de este tipo de señales podría aportar más pistas sobre la identidad elusiva de la materia oscura.
