GW190521: la fusión de agujeros negros más masiva observada por LIGO/Virgo

Por Francisco R. Villatoro, el 2 septiembre, 2020. Categoría(s): Astrofísica • Ciencia • Física • Noticias • Physics • Relatividad • Science ✎ 23

Se llaman agujeros negros de masa intermedia a los que tienen más de cien y menos de cien mil masas solares. Los detectores de ondas gravitacionales LIGO y Virgo han observado la onda gravitacional GW190521 que corresponde a la fusión de dos agujeros negros de 66 y 85 masas solares que dieron lugar a un agujero negro de unas 142 masas solares. Esta sería la observación del agujero negro de masa intermedia de menor masa hasta ahora; se publica en Physical Review Letters, junto a sus implicaciones astrofísicas en The Astrophysical Journal Letters. La distancia (por luminosidad) de la fuente se estima en 5.3 Gpc (entre 2.7 y 7.7 Gpc), es decir, unos 17 mil millones de años luz (recuerda que el radio del universo observable es de unos 42 mil millones de años luz); esto equivale a un desplazamiento al rojo de la fuente de z = 0.82 (z ∊ [0.48, 1.1]); así la señal ha recorrido el universo en expansión durante unos 7.1 mil millones de años (1.5 veces la edad del Sol)(⋇). Toda una sorpresa que se anuncia hoy en una rueda de prensa internacional LIGO+Virgo+Kagra.

La onda gravitacional ha sido observada durante una décima de segundo y transformada en una señal audible se parece más a un estallido breve (bang) que a un gorjeo (chirp) [sonido en .wav]. Desde un punto de vista astrofísico esta señal nos hace replantearnos los modelos de formación de agujeros negros en el universo temprano. Por un lado, el papel de este tipo de fusiones en la formación de los agujeros negros supermasivos que se encuentran en el centro de las galaxias. Y por otro lado, cómo las primeras estrellas pudieron dar lugar a la formación de agujeros negros con masas por encima de unas 60 masas solares. Recuerda que en los modelos de supernovas se observa un rango de masas desfavorecido entre unas 65 y unas 135 masas solares debido a un proceso llamado «inestabilidad de pares» (cuando el núcleo estelar de helio supera una temperatura de ~ 3 × 10⁹ K, los fotones decaen en pares electrón-positrón, lo que reduce la presión de radiación y produce explosiones oscilatorias de las capas externas de la estrella que reducen su masa).

Sin lugar a dudas una nueva sorpresa de la astronomía de ondas gravitacionales que apunta a que nos quedan muchas más en el Run O3 de LIGO+Virgo. Los artículos son LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration, «GW190521: A Binary Black Hole Merger with a Total Mass of 150  M⊙,» Phys. Rev. Lett. 125: 101102 (02 Sep 2020), doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.125.101102; LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration, «Properties and Astrophysical Implications of the 150 M ⊙ Binary Black Hole Merger GW190521,» The Astrophysical Journal Letters 900: L13 (02 Sep 2020), doi: https://doi.org/10.3847/2041-8213/aba493; más información divulgativa en Rosalba Perna, «A Heavyweight Merger,» APS Physics 13: 111 (02 Sep 2020) [link]. Los datos de la onda gravitacional se pueden descargar en «GW190521 parameter estimation samples and figure data» [link] y varias figuras en «GW190521» [link]. Recomiendo leer la excelente pieza de Christopher Berry, «GW190521—The big one,» Gravitational-wave astronomer, 02 Sep 2020.

Por cierto, no le hagas mucho caso a los titulares sensacionalistas de algunos medios (como Nuño Domínguez, «Los científicos captan una enorme onda gravitacional que no debería existir. Dos detectores en Europa y EE UU descubren la colisión de dos agujeros negros más potente jamás observada, pero no entienden cómo ha surgido», El País, 02 Sep 2020). Que se pensara que no podía haber haber agujeros negros de masa estelar por encima de 60 masas solares no significa que «no deberían existir», ni tampoco que no se entienda «cómo ha surgido» esta onda gravitacional. Muchos legos se confundirán mucho con afirmaciones como «con las leyes de la relatividad general en la mano, este fenómeno es imposible de explicar» (Twitter). Tranquilo, estas frases no son ciertas, ya que hay varias hipótesis razonables que permiten explicar estas fusiones (aunque aún no sabemos cuál es la más adecuada entre ellas). Nuevas fusiones de este tipo permitirán esclarecer esta cuestión sin que «cambien los libros de física» (Twitter).

[PS 03 sep 2020] Recomiendo leer en español la estupenda pieza de Daniel Marín, «GW190521: la fusión de agujeros negros más masiva», Eureka, 03 sep 2020. (⋇) He reordenado esta frase para que quede más clara. (⋇⋇) La primera versión de esta pieza ponía que se han emitido 9 masas solares (66+85−142), pero el valor oficial es 8 masas solares, así que lo he cambiado. [/PS]

[PS 04 sep 2020] Los agujeros negros que se han fusionado no pueden ser primordiales, salvo que por alguna razón hay una alta tasa de acreción de estos objetos anterior a la era de reionización, según V. De Luca, V. Desjacques, …, A. Riotto, «The GW190521 Mass Gap Event and the Primordial Black Hole Scenario,» arXiv:2009.01728 [astro-ph.CO] (03 Sep 2020). [/PS]

[PS 19 sep 2020] La idea de que se fusionaron dos agujeros negros con alta excentricidad permite evitar el gap de masa. Recomiendo leer a Maya Fishbach, Daniel E. Holz, «Don’t fall into the gap: GW190521 as a straddling binary,» arXiv:2009.05472 [astro-ph.HE] (11 Sep 2020); V. Gayathri, J. Healy, …, R. O’Shaughnessy, «GW190521 as a Highly Eccentric Black Hole Merger,» arXiv:2009.05461 [astro-ph.HE] (11 Sep 2020); Isobel M. Romero-Shaw, Paul D. Lasky, …, Juan Calderon Bustillo, «GW190521: orbital eccentricity and signatures of dynamical formation in a binary black hole merger signal,» arXiv:2009.04771 [astro-ph.HE] (10 Sep 2020). Por otro lado, dichos agujeros negros se podrían haber formado a partir de estrellas de la población III, hipótesis planteada en Tomoya Kinugawa, Takashi Nakamura, Hiroyuki Nakano, «Formation of Binary Black Hole Similar to GW190521 with a Total Mass of ∼150M⊙ from Population III Binary Star Evolution,» arXiv:2009.06922 [astro-ph.HE] (15 Sep 2020). [/PS]

La onda gravitacional GW190521 fue observada el 21 de mayo de 2019 a las 03:02:29 UTC (05:02:29 CEST, Madrid). La señal es tan intensa y clara que se ha podido identificar con un algoritmo (cWB, por coherent WaveBurst) que no usa señales modelo (templates), aunque se han usado estos para la estimación precisa de sus parámetros. Por cierto, la frecuencia pico de esta señal ronda 60 Hz, que es la frecuencia de la corriente alterna en la red eléctrica de los EEUU; se ha realizado un estudio cuidadoso para garantizar que no se trata de un evento espurio comparando el ajuste con diferentes modelos a los que se ha adicionado ruido a esta frecuencia.

La señal ha sido observada por los tres detectores (LIGO Hanford, LIGO Livingston y Virgo), alcanzando una relación señal-ruido de 14.7, con una FAR (tasa de falsas alarmas) de 1 en 4900 años. El análisis de la señal indica que un agujero negro con una masa de 85+21−14 M⊙ y otro con 66+17−18  M⊙ (90% C.L.), totalizando 150+29−17  M⊙, se fusionaron en uno de 142+28−16  M⊙ que rotaba al 0.72+0.09−0.12 de la velocidad máxima, emitiendo en el proceso unas 8 masas solares en energía gravitacional en solo una décima de segundo; se dice pronto, pero la emisión de 8 masas solares en energía en una décima de segunda es una barbaridad.

Nuestra imaginación no puede concebir tal evento: un agujero negro de unos 390 km de diámetro rotando alrededor de otro de 502 km de diámetro; ambos a una velocidad próxima a una décima parte de la velocidad de la luz que rotan en espiral acercándose hasta fusionarse; en menos de una décima de segundo se produce un agujero negro de 839 km de diámetro; en el proceso se emite una energía total en ondas gravitacionales equivalente a 8 masas solares. Hay que leer dos veces esta frase para darse cuenta de la magnitud de este evento astrofísico (el más energético jamás registrado).

Se estima que la fusión ocurrió a una distancia de 5.3+2.4−2.6  Gpc, que corresponde a un desplazamiento al rojo z = 0.82+0.28−0.34. La observación de esta fusión en el Run O3 de LIGO+Virgo implica una tasa de fusiones similares de 0.13+0.30−0.11  /Gpc³/yr. La tabla resume los parámetros de la fusión de agujeros negros observada, estimadas usando modelos basados en plantillas (templates). La figura de la derecha muestra la distribución de posibles masas para los dos agujeros negros que se han fusionado (el triángulo en gris es el corte asociado a que m1 > m2).

Se estima que espín final (momento angular del agujero negro final) es de χf = 0.72+0.09−0.12, que se representa a la izquierda en función de la masa efectiva normalizada con la distancia (1+z) Mf . Por desgracia, con una señal de duración tan corta no se puede estimar el espín de los agujeros negros que se fusionaron. Solo se ha podido estimar el parámetro de espín efectivo χeff = 0.08+0.27−0.36, compatible con cero; esto implica que los espines de ambos agujeros negros estarían apuntando en direcciones opuestas (o situados en el plano orbital). Por cierto, se ha observado muy bien el ringdown (el decaimiento rápido de la onda gravitacional conforme el merger decae en el agujero negro final); esto solo es posible para las señales de gran amplitud asociadas a agujeros negros de gran masa y permite confirmar que el producto final es un agujero negro como predice la relatividad general.

Los modelos de formación de agujeros negros en las explosiones de supernovas predicen un salto de masa entre 65 y 135 masas solares debido a la «inestabilidad de pares». Este fenómeno se origina en el núcleo de helio de la estrella, cuya temperatura es tan alta que permite la formación de pares electrón-positrón, lo que reduce la presión de radiación que sostiene a la estrella contra la gravedad; así el núcleo inicio un colapso acompañado de una expulsión de las capas exteriores de la estrella, lo que reduce la temperatura; el proceso ocurre de forma oscilatoria, produciendo una gran pérdida de masa en la estrella, que acaba pudiendo evitar el colapso final que le lleva a una supernova que dé lugar a un agujero negro. Así este proceso sugiere que no pueden existir agujeros negros producidos por supernovas con masas por encima de unas 60 masas solares (el límite inferior no está claro y dependiendo del modelo puede estar entre 40 y 65 masas solares) y por debajo de unas 130 masas solares (también hay mucha incertidumbre en este límite superior, como muestra la figura de la derecha).

Si se asume que la predicción teórica de la existencia del salto de masas debida a la «inestabilidad de pares» es correcta, los agujeros negros que se han fusionado en la señal GW190521 deben haber sido resultado de un proceso diferente. Se han propuesto dos hipótesis o escenarios para explicar el agujero negro de 85 masas solares (el de 65 masas solares es más fácil de explicar). Por un lado, que sea el producto de la fusión de dos estrellas en un sistema binario; así se esquiva la «inestabilidad de pares», aunque hay que modificar un poco los modelos de fusión nuclear para núcleos estelares con carbono-12 y oxígeno-16 (ya hay modelos teóricas en esta línea). Y por otro lado, que el agujero negro sea «segunda generación», es decir, resultado de una fusión previa de dos agujeros negros de menor masa; en dicho caso el espín (momento angular) de los agujeros negros en la fusión que dio lugar a GW190521  deberían estar desalineados (por desgracia, como la señal es de muy corta duración hay mucha incertidumbre al respecto).

En mi opinión, la hipótesis más razonable es que se trata de una fusión en la que los dos agujeros negros son de segunda generación (2g), o al menos que uno de ellos es 2g, siendo el otro de primera generación (1g). Sin embargo, en el artículo publicado en ApJL se presentan resultados de simulaciones por ordenador de fusiones 1g+1g, 1g+2g y 2g+2g que favorecen los modelos 1g+1g para GW190521. Estas simulaciones dependen mucho de la distribución de agujeros negros de primera generación que use a priori (en este artículo se ha usado la predicha por las primeras 10 fusiones de agujeros negros observadas); necesitamos observar decenas de fusiones de agujeros negros para tener una estimación mejor de la distribución de agujeros negros 1g. En mi opinión, todavía es muy pronto para descartar una fusion 1g+2g o incluso 2g+2g para la señal GW190521.

Como se espera un mayor densidad de agujeros negros de «segunda generación» (2g) en el centro de las galaxias, apoyaría la segunda hipótesis la observación de una contraparte electromagnética (pues hay mucho gas en el centro galáctico que se podría calentar debido a las ondas de choque producidas por la fusión de agujeros negros). Lo más sorprendente es que el telescopio californiano ZTF (Zwicky Transient Facility) observó una señal transitoria en la región del cielo donde se observó la señal GW190521 pero retrasada 35 días. Esta señal podría tener como origen la misma galaxia que la onda gravitacional; pero no se puede saber con seguridad. Así que habrá que esperar a futuras observaciones similares para confirmar que este es el origen más razonable. La observación se publicó en M. J. Graham, K. E. S. Ford, …, M. T. Soumagnac, «Candidate Electromagnetic Counterpart to the Binary Black Hole Merger Gravitational-Wave Event S190521g*,» Phys. Rev. Lett. 124: 251102 (25 Jun 2020), doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.251102, arXiv:2006.14122 [astro-ph.HE] (25 Jun 2020); más información divulgativa en Michael Schirber, «Possible Flare from Black Hole Merger,» APS Physics 13: 101 (25 Jun 2020) [web].

En resumen, se ha observado una nueva onda gravitacional con varias características interesantes: los agujeros negros que se han fusionado tienen más masa que observaciones previas y el resultado de la fusión es un agujero negro de masa intermedia (aunque en el borde bajo de sus masas). Sin lugar a dudas la astronomía de ondas gravitacionales está revolucionando nuestro conocimiento del cosmos. Pero en ningún caso se puede decir que esta nueva onda gravitacional «no debería existir» o que «sea imposible de explicar usando la relatividad general y la física estelar».



23 Comentarios

  1. Consejos doy, que para mí no tengo…

    Más le valdría a El País invertir en «ciencia» para sus colaboradores y menos criticar la pobreza de ciencia en los presupuestos del Estado…

    En fin.

    Cuesta imaginarse las magnitudes de estos procesos, como bien dices.

    Saludos

    1. Muy interesante la entrada.

      Voy a permitirme hacer una pregunta relativa a uno de los datos que se aportan y que desconozco cómo se obtiene.

      Obtener el Red shift de una fuente electromagnética es relativamente sencillo siempre que puedas observar líneas de absorción en el espectro.
      Pero en una onda gravitatoria ¿cómo se puede estimar ese valor?
      ¿Qué suposiciones deben hacerse para obtener el red shift y por tanto la distancia a la fuente?
      Gracias por adelantado.

      1. Tengo entendido que se puede determinar la distancia. Existe una degeneración con el ángulo del plano orbital, pero ignorándola (o «promediandola») se puede saber la distancia a la fuente siguiendo más o menos lo que explica acá Schutz https://doi.org/10.1038/323310a0
        Sabiendo la distancia y asumiendo un modelo cosmológico determinas el redshift.

      2. Rafasith, la distancia (D) a la fuente determina el desplazamiento al rojo (z, redshift) de la fuente, estimándose a partir de la distancia por luminosidad (DL, luminosity distance), que no es la distancia, sino DL = (1+z)D; para z pequeña, DL ~ D, pero para z grande crece mucho la incertidumbre en DL y z. La distancia por luminosidad se determina a partir de la amplitud de la señal registrada en los tres detectores (recuerda que la forma o perfil de la señal determina las masas de los objetos que se fusionan y la masa del objeto final); todos estos parámetros están degenerados, por ejemplo, en realidad se determina (1+z)M en lugar de M, de ahí que solo se puedan ofrecer intervalos de incertidumbre (y figuras con distribuciones de probabilidad) en lugar de valores únicos; así la distancia por luminosidad a GW190521 está en el intervalo DL ∊ [5.3-2.6 , 5.3+2.4] = [2.7, 7.7] Gpc, luego el desplazamiento al rojo z ∊ [0.82-0.34, 0.82+0.28] = [0.48, 1.00], que como ves son intervalos (al 90% CL, o unas 2 sigmas) muy amplios (si calculas los intervalos al 99% CL serán muchísimo más grandes).

        Las suposiciones básicas requeridas son las implicadas por las predicciones de la relatividad general para ondas gravitacionales, es decir, que las simulaciones de relatividad numérica describen de forma correcta las señales observadas. Todos los tests sobre posibles desviaciones son compatibles con esta hipótesis básica.

  2. Dice Francis: «El desplazamiento al rojo de la fuente se estima en z = 0.82, luego ocurrió hace unos 7 mil millones de años, hoy a unos 17 mil millones de años luz de distancia»
    Aquí hay un gazapo, a z=0.82 le corresponde una distancia hoy de 9.5 mil millones de años luz. No 17 mil millones de años luz, esa es una distancia ficticia llamada «luminosity distance» que se usa en los cálculos.
    Esa distancia hoy de 9.5 Gal es el 21% del radio del universo observable hoy que es de unos 46 Giga años luz.
    Saludos.

  3. Gracias por la aclaración sobre el artículo de «El País», aunque no cabe duda de que habría sido más apasionante que hubiera sido otra cosa -el comunicado de prensa de LIGO afirma que se pensó en el colapso de una estrella en nuestra galaxia o incluso en una cuerda cósmica aunque no coincidan con las observaciones-.

    A ver cuándo toca el Gordo y se puede capturar la fusión de dos agujeros negros supermasivos cómo los de los centros galácticos.

    1. El merge de dos agujeros negros tan grandes no están en el rango de detección de LIGO. Detectamos estos rangos de masa porque son las frecuencias a las que son sensibles los detectores.

  4. Este evento tan energético, ¿no podría trascender el modelo estándar? ¿O todo es simulable con la física de hoy? Al menos a grandes rasgos… Me imagino que la información aportada por LIGO es muy reducida, pero cuesta creer que la gravedad cuántica no se manifieste en eventos de esta dimensión. 9 masas solares en una décima de segundo, aún estoy flipando

    1. Juan, se puede simular sin nungún problema usando la gravitación clásica descrita por la relatividad general de Einstein. No se necesita gravedad cuántica, pues energéticamente está extremadamente lejos de involucrar densidades de energía planckianas.

  5. Gracias Francis como siempre por informarnos. Justo lo leí en EP y chorreaba amarillo.

    Cada vez más y mejores métodos de análisis, modelos, observaciones junto a nuevos instrumentos ópticos, de radio y de ondas gravitacionales. Cuestión de tiempo que lleguen los regalos!

      1. No jalexrol, no sobra, lo que dice ahí:

        «…Se llaman agujeros negros de masa intermedia a los que tienen más de cien y menos de cien mil masas solares..»

        Es correcto, saludos.

  6. Hola!

    La técnica de «usar modelos basados en plantillas (templates)», donde podría leer más? Creo entender lo que significa, pero me gustaría confirmar mis ideas.

    Un saludo y gracias!

    1. Eduardo, te recomiendo leer «A template bank to search for gravitational waves from inspiralling compact binaries: I. Physical models» https://arxiv.org/abs/gr-qc/0604037, y «II. Phenomenological model» https://arxiv.org/abs/0709.1050; también «Template Banks for Binary black hole searches with Numerical Relativity waveforms» https://arxiv.org/abs/1310.7949, «The GstLAL template bank for spinning compact binary mergers in the second observation run of Advanced LIGO and Virgo» https://arxiv.org/abs/1812.05121; y «2-OGC: Open Gravitational-wave Catalog of binary mergers from analysis of public Advanced LIGO and Virgo data», https://arxiv.org/abs/1910.05331; pero hay muchos más.

  7. Pues yo creo que esta detección favorece la hipótesis de que estos agujeros negros tienen un origen primordial y no estelar. Es que son muy masivos para ser estelares, no debemos pasar por alto este hecho. También favorece la explicación de que estos agujeros negros masivos de masa intermedia, que comenzaron como agujeros negros primordiales, son la explicación de la materia oscura y de la estructura del universo a gran escala. Por lo que el hallazgo si que sería revolucionario.

  8. Muy buen artículo Francis, gracias. Muy buenos varios de los enlaces para ampliar información. Ramiro, muy interesante el coloquio que enlazas en Youtube.

    Me es imposible imaginar los efectos de la liberación de 8 masas solares de energía en una décima de segundo. Me gustaría si alguien tiene información o enlaces de algún artículo que desarrolle hipótesis sobre qué efectos tendría semejante sacudida en un sistema estelar que se encontrase en las inmediaciones, pongamos a un año luz o incluso menos. ¿Qué efectos tendría en un planeta que estuviera a una distancia equivalente a la del Sol-Plutón, suponiendo que en la posición del Sol se produce la fusión y el planeta hipotético está sintiendo los efectos a una distancia equivalente a la órbita de Plutón?¿La energía liberada se concentra esencialmente en la sacudida del espacio-tiempo?¿Energía electromagnética?¿En qué proporción?

    Gracias y salU2

Deja un comentario