Hace miles de millones de años, dos agujeros negros mucho más masivos que el Sol (31 y 19 masas solares cada uno) se fusionaron en una galaxia distante. El 4 de enero de 2017, estas ondas gravitacionales, viajando a través del Universo a la velocidad de la luz, finalmente llegaron a la Tierra, donde comprimieron y estiraron nuestro planeta en varios átomos. Esto fue suficiente para que dos detectores LIGO en Washington y Louisiana captaran la señal y reconstruyeran exactamente lo que sucedió. Por tercera vez en la historia, hemos observado directamente ondas gravitacionales. Mientras tanto, los telescopios y observatorios de todo el mundo, incluidos los que se encuentran en la órbita de la Tierra, buscaban una señal completamente diferente: algo como luz o radiación electromagnética que estos agujeros negros fusionados podrían emitir.
Una ilustración de dos agujeros negros fusionados de masa comparable a los vistos en LIGO. Se espera que tal fusión produzca muy pocas señales electromagnéticas, pero la presencia de una sustancia muy caliente cerca de tales objetos puede cambiar esto.
Según nuestros mejores modelos físicos, la fusión de los agujeros negros no debería emitir luz alguna. Una singularidad masiva rodeada por un horizonte de eventos puede emitir ondas gravitacionales debido a la curvatura cambiante del espacio-tiempo, ya que gira alrededor de otra masa gigante, y la relatividad general lo implica. Dado que la energía gravitacional en forma de radiación debe provenir de algún lugar, el agujero negro final después de la fusión será varias masas solares más ligero que la suma de las fuentes que lo generaron. Esto es completamente consistente con otras dos fusiones que observó LIGO: aproximadamente el 5% de las masas originales se convirtieron en energía pura en forma de radiación gravitacional.
Las masas de sistemas binarios de agujeros negros conocidos, incluidas tres fusiones LIGO confirmadas y un candidato a fusión
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Pero si hay algo fuera de estos agujeros negros, como un disco de acreción, un cortafuegos, una capa dura, una nube difusa o cualquier otra cosa, la aceleración y el calentamiento de este material pueden crear radiación electromagnética que viaja junto con nuestras ondas gravitacionales. Después de la primera detección de LIGO, el monitor de ráfagas de rayos gamma de Fermi indicó que había detectado una ráfaga de alta energía que coincidía con el tiempo de la señal de la onda gravitacional. Desafortunadamente, el satélite de la ESA no solo no pudo confirmar los resultados de Fermi, sino que los científicos que trabajaban allí descubrieron una falla en el análisis de Fermi de sus datos, desacreditando por completo sus resultados.
Fusión de dos agujeros negros a través de los ojos de un artista, con un disco de acreción. La densidad y la energía de la materia no deberían ser suficientes aquí para crear rayos gamma o estallidos de rayos X, pero quién sabe de qué es capaz la naturaleza.
La segunda fusión no mostró tales indicios de señales electromagnéticas, pero esto no es sorprendente: los agujeros negros tenían una masa significativamente menor, por lo que cualquier señal que generaran sería correspondientemente menor en magnitud. Pero la tercera fusión también fue grande en masa, más comparable a la primera que a la segunda. Aunque Fermi no dijo nada y el satélite Integral de la ESA también permaneció en silencio, hubo dos indicios de que podría haberse producido radiación electromagnética. El satélite AGILE de la Agencia Espacial Italiana registró un destello débil y de corta duración que ocurrió medio segundo antes de la fusión en LIGO, y las observaciones de rayos X, radio y ópticas combinadas se identificaron de manera extraña.
Si algo de esto pudiera atribuirse a la fusión de agujeros negros, sería completamente increíble. Sabemos tan poco sobre los agujeros negros en general, ¿qué podemos decir sobre la fusión? Nunca los hemos visto con nuestros propios ojos, aunque el Event Horizon Telescope tomará una foto antes de finales de este año. Descubrimos este año que los agujeros negros no tienen capas duras que rodeen el horizonte de eventos, pero este hecho también fue estadístico. Entonces, cuando se trata de la posibilidad de que los agujeros negros tengan fugas electromagnéticas, vale la pena mantener la mente abierta.
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Los cuásares masivos y distantes exhiben agujeros negros supermasivos en sus núcleos, y sus fugas electromagnéticas son fáciles de detectar. Pero aún no hemos visto que los agujeros negros fusionados (especialmente aquellos con masas bajas, menos de 100 soles) emitan nada que pueda detectarse.
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Desafortunadamente, ninguna de estas observaciones proporciona los datos necesarios para llevarnos a concluir que la fusión de agujeros negros puede emitir cualquier cosa en el espectro electromagnético. En general, es bastante difícil obtener evidencia convincente, ya que incluso los detectores gemelos LIGO, que operan con una precisión increíble, no pueden señalar la ubicación de la señal de onda gravitacional con más precisión que hasta una constelación o tres. Dado que las ondas gravitacionales y las ondas electromagnéticas viajan a la velocidad de la luz, es extremadamente improbable que haya un retraso de casi 24 horas entre las dos. Además, el evento transitorio ocurre a una distancia que no permite asociarlo con una onda gravitacional.
El área de observación del observatorio AGILE en el momento de las observaciones LIGO con la posible ubicación de la fuente de onda gravitacional mostrada en los contornos morados
Las observaciones de AGILE podrían potencialmente insinuar que está sucediendo algo interesante. En el momento en que se detectó el evento de onda gravitacional, AGILE se apuntó a un área del espacio que contiene el 36% del área de estudio de LIGO. Según los científicos, "el exceso de fotones de rayos X detectados" apareció en algún lugar por encima del fondo promedio habitual. Pero al observar los datos, la primera pregunta que se hacen los científicos es: ¿Qué tan convincentes son?
Segundos antes de la fusión de LIGO, sacaron un evento interesante, etiquetado E2 en los tres gráficos anteriores. Después de un análisis exhaustivo en el que correlacionaron lo que ven y qué tipo de fluctuaciones aleatorias pueden ocurrir de forma natural, concluyeron que había sucedido algo interesante con una probabilidad del 99,9%. En otras palabras, vieron una señal real, no una fluctuación aleatoria. Hay muchos objetos en el Universo que emiten rayos gamma y X que forman el fondo. Pero, ¿puede el incidente estar relacionado con la fusión gravitacional de dos agujeros negros?
Simulaciones por computadora de dos agujeros negros fusionados con la producción de ondas gravitacionales. La pregunta es, ¿esta señal acompaña a alguna explosión electromagnética?
Si es así, ¿por qué los otros satélites no lo vieron? Por el momento, podemos concluir que si los agujeros negros tuvieran una parte electromagnética, ésta:
- extremadamente débil
- nace solo con bajas energías
- no tiene componentes ópticos, de radio o rayos gamma brillantes
- no ocurre simultáneamente con la liberación de ondas gravitacionales.
Los agujeros negros binarios de 30 masas solares, detectados por primera vez por LIGO, son difíciles de formar sin un colapso directo. Ahora, cuando ya se han observado dos veces, quedó claro que esos pares de agujeros negros son bastante comunes. ¿Tienen radiación electromagnética?
Además, todo lo que vemos encaja perfectamente con el hecho de que los agujeros negros fusionados no tienen una parte electromagnética. ¿Pero podría deberse a que no tenemos suficientes datos? Si construimos más detectores de ondas gravitacionales, vemos más fusiones de agujeros negros de gran masa, los ubicamos mejor, vemos más eventos transitorios, podemos encontrar la respuesta a esa pregunta. Si se construyen, encargan y ponen en órbita misiones y observatorios que deberían recopilar dichos datos, si es necesario, en 15 años recibiremos la confirmación científica.
ILYA KHEL
