A física galega presente nun achado único: buracos negros chocando no límite da relatividade de Einstein

O 23 de novembro de 2023, despois de millóns de anos de viaxe a través do universo, unha sinal en forma de ondas gravitacionais chegou á Terra. Foi detectada ao mesmo tempo polos observatorios de Hanford e Livingston, separados por máis de 3.000 quilómetros nos Estados Unidos. Pero esta sinal, bautizada como GW231123, non era unha máis: foi causada pola colisión de buracos negros máis brutal que a humanidade puido observar ata o de agora.

Este luns, despois de case dous anos de análise, a colaboración LIGO —na que participa o Instituto Galego de Física de Altas Enerxías (IGFAE)— xunto coas colaboracións Virgo e KAGRA, anunciou o achado deste fenómeno cósmico “de récord”. O resultado desta fusión de dous buracos negros, duns 100 e 140 veces a masa do noso Sol, é un obxecto de 240 masas solares. As características deste evento sitúano preto dos límites do permitido pola teoría da relatividade xeral de Einstein.

“Esta é a fusión de buracos negros máis masiva que temos detectado mediante ondas gravitacionais, e a súa interpretación supón á vez unha gran pista e un gran desafío para o noso entendemento dos procesos de formación de buracos negros”, afirma o Dr. Juan Calderón Bustillo, investigador Ramón y Cajal no IGFAE, centro mixto da Universidade de Santiago de Compostela e a Xunta de Galicia.

Ata agora, observáranse aproximadamente 100 fusións de buracos negros mediante ondas gravitacionais. A maior fora a coñecida como fonte GW190521 —descuberta en 2019—, cunha masa total moito menor: “só” 140 veces a do Sol, cuxo análise coordinou Calderón Bustillo. “Agora batemos o noso récord, case dobrando a masa!”, destaca.

TÉCNICA DO IGFAE 

Ademais da súa enorme masa, estes dous buracos negros xiran sobre si mesmos a gran velocidade. Estes dous aspectos converten esta sinal nun desafío único para a súa interpretación e suxiren unha historia de formación complexa. “En principio, estes buracos negros non deberían poder formarse mediante o colapso de estrelas ao final das súas vidas. Polo tanto, é posible que estes dous buracos negros procedan de sucesivas fusións previas de buracos negros máis pequenos”, apunta Juan Calderón Bustillo. Aquí reside unha das principais contribucións do IGFAE a este descubrimento, a través de técnicas desenvolvidas polo equipo do Instituto, e que se utilizaron en estudos recentes para entender a orixe destes eventos.

“Con estas técnicas puidemos reconstruír a xenealoxía destes buracos negros. Vimos que é moi probable que o maior deles sexa un buraco negro de ‘terceira’ xeración. É dicir, no mellor dos casos serían os seus ‘avós’ os que se puideron formar mediante colapso estelar”.

NOS LÍMITES DAS DETECCIÓN

A gran masa e a rápida rotación dos buracos negros na sinal GW231123 levan ao límite tanto os algoritmos que se usan para a detección de ondas gravitacionais como os modelos teóricos que permiten a súa interpretación. Detectar sistemas tan masivos require técnicas complexas, cuxo desenvolvemento foi liderado polo IGFAE durante o último lustro.

“As sinais de sistemas como GW231123 son extremadamente curtas, facilmente confundibles con sinais artificiais que contaminan continuamente os nosos detectores”, explica o Dr. Thomas Dent, Investigador Distinguido no IGFAE desde 2018 e fundador do programa de investigación en ondas gravitacionais.

FITO HISTÓRICO

As ondas gravitacionais son ondulacións no tecido espazo-temporal que viaxan á velocidade da luz, e que se producen como consecuencia dos eventos máis violentos do Universo, como as fusións de buracos negros ou as explosións de estrelas (supernovas). Foron postuladas teoricamente por Albert Einstein hai máis de 100 anos, pero non se puideron observar directamente ata o ano 2015, cando o logrou a colaboración LIGO.

Este achado supuxo un dos grandes fitos da física das últimas décadas. Tres dos principais artífices deste descubrimento (Kip Thorne, Barry C. Barish e Rainer Weiss), recibiron o Premio Nobel de Física en 2017, entre outros moitos recoñecementos.