El Instituto Galego de Física de Altas Enerxías (IGFAE) ha sido fundamental en la detección de la fusión de dos agujeros negros, el evento más masivo registrado hasta la fecha, con una masa combinada de 240 veces la del Sol. Esta colisión, observada a través de ondas gravitacionales, desafía los límites establecidos por la relatividad de Einstein y ofrece nuevas pistas sobre la formación de agujeros negros. El IGFAE continúa desarrollando técnicas para mejorar la interpretación de estos fenómenos cósmicos.
El 23 de noviembre de 2023, una señal en forma de ondas gravitacionales llegó a la Tierra tras millones de años de viaje por el universo. Esta detección simultánea se realizó en los observatorios de Hanford y Livingston, ubicados a más de 3.000 kilómetros de distancia en Estados Unidos. La señal, conocida como GW231123, no era una más: representaba la colisión de buracos negros más intensa jamás observada por la humanidad.
Después de casi dos años de análisis, la colaboración LIGO, que incluye al Instituto Galego de Física de Altas Enerxías (IGFAE), junto con las colaboraciones Virgo y KAGRA, anunció este hallazgo cósmico sin precedentes. La fusión involucró dos buracos negros con masas estimadas en 100 y 140 veces la del Sol, resultando en un objeto final equivalente a 240 masas solares. Este evento se sitúa cerca del límite establecido por la teoría de la relatividad general formulada por Albert Einstein.
“Esta es la fusión de buracos negros más masiva que hemos detectado mediante ondas gravitacionales. Su interpretación representa tanto una gran pista como un desafío para nuestro entendimiento sobre los procesos de formación de buracos negros”, declaró Juan Calderón Bustillo, investigador Ramón y Cajal en el IGFAE, un centro mixto entre la Universidad de Santiago de Compostela y la Xunta de Galicia.
Hasta ahora, se habían observado aproximadamente 100 fusiones similares mediante ondas gravitacionales. La anterior más significativa fue GW190521, descubierta en 2019, con una masa total considerablemente menor: “solo” 140 veces la del Sol. “Ahora hemos batido nuestro récord, ¡casi duplicando la masa!”, enfatiza Calderón Bustillo.
Aparte de su enorme masa, estos buracos negros giran a gran velocidad. Estas características convierten esta señal en un reto único para su interpretación y sugieren una historia formativa compleja. “En principio, estos buracos negros no deberían poder formarse mediante el colapso estelar al final de sus vidas. Por lo tanto, es posible que provengan de sucesivas fusiones previas entre buracos negros más pequeños”, apunta Calderón Bustillo. Esta es una contribución clave del IGFAE a este descubrimiento, utilizando técnicas desarrolladas por su equipo para entender mejor el origen de tales eventos.
"Con estas técnicas pudimos reconstruir la genealogía de estos buracos negros. Es muy probable que el mayor sea un buraco negro 'de tercera' generación", añade.
La gran masa y rápida rotación implican que GW231123 lleva al límite tanto los algoritmos utilizados para detectar ondas gravitacionales como los modelos teóricos necesarios para interpretarlas. Detectar sistemas tan masivos requiere técnicas complejas que han sido desarrolladas por el IGFAE durante los últimos cinco años.
"Las señales provenientes de sistemas como GW231123 son extremadamente breves y pueden confundirse fácilmente con señales artificiales que contaminan nuestros detectores", explica Thomas Dent, investigador distinguido en el IGFAE desde 2018 y fundador del programa dedicado a ondas gravitacionales.
"Una línea principal en nuestro trabajo es desarrollar técnicas complejas que nos permitan descartar señales artificiales. Esto optimiza la sensibilidad de nuestros sistemas", afirma Dent. "De hecho, el sistema PyCBC que desarrollamos aquí fue el encargado de proporcionar lo que llamamos 'alerta rápida' sobre nuestra detección". Extraer información precisa requirió utilizar modelos teóricos capaces de capturar la compleja dinámica asociada a buracos negros con alta rotación.
A medida que avanza el tiempo, el equipo del IGFAE continuará perfeccionando sus análisis y mejorando los modelos usados para interpretar eventos extremos como este. "Tomará años comprender completamente la verdadera naturaleza detrás de estas fuentes", anticipan Calderón Bustillo y Dent.
"Se sabe que este tipo de señales puede ofrecer múltiples interpretaciones. Aunque parece más probable que se trate de la fusión entre dos buracos negros en una órbita circular oscilante, estudios futuros podrían revelar órbitas excéntricas o incluso algo más allá", concluyen ambos investigadores.
Dent subraya que "además del desarrollo teórico necesario, acumular más observaciones permitirá investigar con mayor detalle cómo se forman estos buracos negros y cómo funcionan las estrellas que eventualmente dan lugar a ellos o a sus antepasados".
Las ondas gravitacionales son ondulaciones en el tejido espacio-temporal generadas por eventos violentos del universo como fusiones de buracos negros o explosiones estelares (supernovas). Teóricamente postuladas por Einstein hace más de un siglo, no fueron observadas directamente hasta 2015 gracias a LIGO.
Dicho hallazgo marcó uno de los hitos más importantes en física reciente. Tres figuras clave detrás del descubrimiento (Kip Thorne, Barry C. Barish y Rainer Weiss) recibieron el Premio Nobel de Física en 2017 entre otros reconocimientos destacados.
A partir de su acreditación como Unidad de Excelencia María de Maeztu en 2017, se identificó el gran potencial investigativo relacionado con las ondas gravitacionales. Esta apuesta permitió al IGFAE integrarse en octubre de 2018 al experimento LIGO, donde ocupa posiciones relevantes dentro del proyecto internacional con más de 1.500 participantes alrededor del mundo.
| Descripción | Cifra |
|---|---|
| Masa del primer agujero negro | 100 veces la masa del Sol |
| Masa del segundo agujero negro | 140 veces la masa del Sol |
| Masa total del objeto resultante | 240 veces la masa del Sol |
| Número aproximado de fusiones observadas | 100 |