Puede que el agujero negro más masivo detectado hasta ahora no sea tan masivo después de todo
En noviembre de 2023, los detectores LIGO registraron las ondas gravitacionales producidas por la fusión de dos agujeros negros cuya masa total parecía estar entre 190 y 265 veces la del Sol (masas solares). El evento, bautizado como GW231123, se convirtió en la fusión más masiva de agujeros negros observada hasta entonces. Pero ahora, un nuevo análisis plantea la posibilidad de que esta fusión no era tan enorme después de todo. ¿Qué pudo haber pasado para obtener ese registro entonces? Tal vez su señal fue amplificada y distorsionada por la gravedad de otros objetos situados entre ellos y la Tierra.
Srashti Goyal, Héctor Villarrubia Rojo y Miguel Zumalacárregui, investigadores vinculados al Instituto Max Planck de Física Gravitacional (Albert Einstein Institute, AEI), proponen que GW231123 pudo atravesar una especie de lupa cósmica. La responsable sería una combinación de lente gravitacional y microlente, capaz no solo de aumentar la intensidad de las ondas gravitacionales, sino también de modificar sutilmente su forma.
La idea parte de un fenómeno conocido de la relatividad general. La gravedad de un objeto muy masivo puede curvar el espacio-tiempo y, con él, la trayectoria de la luz o de las ondas gravitacionales. Cuando una señal pasa cerca de una concentración de materia, puede llegar hasta nosotros amplificada, como si hubiera atravesado una gigantesca lente.
Investigaciones recientes han revelado una de las fuentes de un misterioso fenómeno espacial en el que se emiten intensos pulsos de radio cada pocos minutos u horas.
¿Qué consecuencia tiene esto? La expansión del universo hace que una fuente situada a gran distancia parezca tener masas mayores cuando se analiza directamente su señal, ya que la masa observada está afectada por el corrimiento al rojo (redshift). Al mismo tiempo, una lente gravitacional puede amplificar la señal y hacer que la fuente parezca más cercana de lo que realmente está. Ambas cosas pueden combinarse y producir una estimación exagerada de la masa.
“Al igual que la luz, las ondas gravitacionales también pueden desviarse, amplificarse y dividirse en múltiples señales por la acción de objetos masivos”, explica Miguel Zumalacárregui, jefe de grupo del Departamento de Relatividad Astrofísica y Cosmológica del AEI, en un comunicado. “En el caso de las ondas gravitacionales, los efectos de difracción e interferencia nos brindan una forma adicional de identificar y estudiar las señales distorsionadas”.
Para indagar esta hipótesis, los investigadores analizaron GW231123 bajo tres escenarios: sin lente gravitacional, con una lente puntual aislada y con una lente puntual incrustada en un campo gravitacional mayor, como el que podría producir una galaxia. Este último escenario es el más completo de los tres porque contempla simultáneamente los efectos de diferentes escalas gravitacionales.
De 230 a 140 masas solares
Los resultados favorecen la interpretación de que la señal fue sometida a lensing. En simulaciones realizadas para estimar la posibilidad de que el ruido de los detectores produjera por azar una señal semejante, el estudio encontró una probabilidad de falsa alarma inferior al 1%. Es una evidencia interesante, aunque los propios autores advierten que todavía no constituye una detección definitiva de la lente gravitacional.
La pista más importante está en una pequeña distorsión de la señal. Una lente compacta puede producir un fenómeno conocido como difracción en régimen de óptica ondulatoria. En lugar de comportarse simplemente como un rayo que sigue una trayectoria determinada, la onda gravitacional puede mostrar interferencias y otras modificaciones características. En GW231123 aparece una estructura adicional separada aproximadamente 20 milisegundos de la señal principal. Según el análisis, esa característica no puede explicarse completamente mediante la aproximación convencional de óptica geométrica y resulta esencial para producir los datos.
Si la interpretación es correcta, cambia también la historia física de los agujeros negros que se fusionaron. Sin lente, el sistema parece tener una masa total cercana a 232 masas solares y exige agujeros negros extraordinariamente pesados, además de velocidades de rotación (spin) muy elevadas. Esto lo convertiría en un objeto difícil de explicar dentro de los escenarios habituales de formación de agujeros negros.
Con la lente gravitacional incluida, el panorama resulta menos extremo. El análisis sitúa la masa total intrínseca del sistema alrededor de 137 masas solares como valor mediano, con componentes individuales por debajo de 100 y 50 masas solares. Al mismo tiempo, la fuente podría encontrarse a un corrimiento del rojo cercano a 1.2, mucho más lejos que la estimación obtenida sin considerar la lente.
El misterio de la lente
La lente también podría tener una masa propia considerable. El estudio estima que el objeto compacto responsable de la difracción podría tener entre 188 y 850 masas solares bajo el modelo de una lente incrustada en una galaxia. “Si asumimos que GW231123 fue desviada y distorsionada por un objeto compacto de entre 190 y 850 masas solares, o por una estructura extendida como un cúmulo globular, podemos comprender las elevadas masas observadas”, dice Srashti Goyal, coautora principal del estudio. “Además, la interpretación del efecto de lente gravitacional no requiere espines inusualmente altos”.
“Nuestro análisis también sugiere que la lente compacta estaba inmersa en un campo gravitatorio mayor, como el de la galaxia que la albergaba”, añade Héctor Villarrubia Rojo, coautor e investigador postdoctoral en la Universidad Complutense de Madrid. “Al incluir este potencial externo, podemos describir la difracción a pequeña escala y la magnificación a gran escala dentro de un mismo marco teórico”.
¿Qué pudo ser la lente entonces? Una posibilidad es que se trate de un agujero negro de masa intermedia; sin embargo, los autores subrayan que su naturaleza no puede determinarse todavía. Una estructura extendida, como un cúmulo globular, o incluso un conjunto de objetos estelares podría producir una señal similar. “La naturaleza de la lente sigue siendo un gran misterio en nuestro análisis, ya que las lentes compactas individuales con entre 100 y 1000 masas solares deberían ser extremadamente raras”, dice Zumalacárregui. "En futuros trabajos será necesario determinar si tales lentes pueden formarse o si un conjunto de objetos más ligeros, incluidas las estrellas, puede explicar este fenómeno".
Al final del día, GW231123 se encuentra en una situación algo peculiar, ya que el nuevo análisis no demuestra de manera definitiva que la señal haya sido distorsionada por una lente gravitacional, pero muestra que esta posibilidad puede explicar varias de sus características extraordinarias al mismo tiempo. Este caso también revela que las ondas gravitacionales podrían convertirse en una herramienta para estudiar no solo los objetos que las producen, sino también todo aquello que encuentran durante su viaje.
El estudio fue publicado en The Astrophysical Journal Letters y lo puedes consultar aquí.