El agujero negro más masivo descubierto podría ser menos masivo de lo que se pensaba

En noviembre de 2023, los detectores LIGO registraron un evento significativo en el ámbito de la astrofísica: la fusión de dos agujeros negros con una masa total estimada entre 190 y 265 veces la del Sol. Este fenómeno, denominado GW231123, se convirtió en la fusión de agujeros negros más masiva observada hasta la fecha. Sin embargo, un análisis reciente sugiere que esta fusión podría no haber sido tan monumental como se pensaba inicialmente. ¿Qué podría haber influido en la interpretación de esos datos? Una posible explicación es que la señal fue amplificada y distorsionada por la influencia gravitacional de otros objetos ubicados entre la fuente del evento y la Tierra.

Investigadores del Instituto Max Planck de Física Gravitacional, incluyendo a Srashti Goyal, Héctor Villarrubia Rojo y Miguel Zumalacárregui, proponen que GW231123 pudo haber pasado a través de una especie de «lupa cósmica». Esta lente podría ser el resultado de una combinación de efectos de lente gravitacional y microlente, que no solo amplifican la intensidad de las ondas gravitacionales, sino que también alteran sutilmente su forma. Este fenómeno se basa en principios de la relatividad general, donde la gravedad de un objeto masivo puede curvar el espacio-tiempo, afectando la trayectoria de la luz y las ondas gravitacionales. Cuando una señal se aproxima a una concentración de materia, puede llegar a nosotros con una intensidad aumentada, como si hubiera atravesado una inmensa lente.

Implicaciones de la Distorsión Gravitacional

Las implicaciones de este fenómeno son significativas. La expansión del universo provoca que una fuente lejana parezca tener una masa mayor al analizar su señal, debido al efecto conocido como corrimiento al rojo. Simultáneamente, una lente gravitacional puede amplificar la señal, haciendo que la fuente parezca más cercana de lo que realmente está. Esta combinación de factores puede llevar a una estimación exagerada de la masa de los agujeros negros involucrados en la fusión.

“Al igual que la luz, las ondas gravitacionales pueden ser desviadas, amplificadas y descompuestas en múltiples señales debido a la acción de objetos masivos”, explica Miguel Zumalacárregui, jefe del Departamento de Relatividad Astrofísica y Cosmológica del AEI. “Los efectos de difracción e interferencia en las ondas gravitacionales nos ofrecen una nueva forma de identificar y estudiar señales distorsionadas”. Para explorar esta hipótesis, los investigadores llevaron a cabo un análisis de GW231123 bajo tres escenarios diferentes: sin la presencia de una lente gravitacional, con una lente puntual aislada y con una lente puntual en un campo gravitacional mayor, similar al que podría generar una galaxia. Este último escenario se considera el más completo, ya que abarca múltiples escalas gravitacionales.

Resultados del Análisis

Los resultados del estudio apoyan la teoría de que la señal fue afectada por un fenómeno de lensing gravitacional. Las simulaciones realizadas para evaluar si el ruido de los detectores podría haber producido accidentalmente una señal similar revelaron una probabilidad de falsa alarma inferior al 1%. Aunque esta evidencia es intrigante, los autores advierten que no constituye una prueba definitiva de la existencia de la lente gravitacional.

Una de las pistas más relevantes se encuentra en una sutil distorsión de la señal. Una lente compacta podría provocar un fenómeno conocido como difracción en el contexto de la óptica ondulatoria. En lugar de comportarse como un rayo que sigue una trayectoria específica, la onda gravitacional puede mostrar interferencias y modificaciones características. En el caso de GW231123, se detectó una estructura adicional que aparece aproximadamente 20 milisegundos después de la señal principal. Este hallazgo no puede ser explicado completamente a través de la óptica geométrica convencional, lo que lo convierte en un aspecto esencial del análisis.

Revisando la Historia de los Agujeros Negros

Si la interpretación de los datos es correcta, esto también modificaría la narrativa sobre los agujeros negros que se fusionaron. Sin considerar el efecto de la lente, el sistema parece tener una masa total cercana a 232 masas solares, lo que implicaría agujeros negros extraordinariamente pesados y velocidades de rotación muy altas, un escenario complicado de encajar en los modelos de formación de agujeros negros más comunes. En cambio, al incluir la lente gravitacional, la masa total intrínseca del sistema se estima en alrededor de 137 masas solares, con componentes individuales que podrían estar por debajo de 100 y 50 masas solares. Además, la fuente podría estar situada a un corrimiento al rojo de aproximadamente 1.2, lo que la haría considerablemente más distante que la estimación anterior.

El Enigma de la Lente Gravitacional

La lente también podría poseer una masa considerable. El estudio estima que el objeto compacto responsable de la difracción podría tener entre 188 y 850 masas solares, basándose en el modelo de una lente incrustada en una galaxia. “Si suponemos 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 entender las altas masas observadas”, señala Srashti Goyal, coautora principal del estudio. “Además, esta interpretación del efecto de lente gravitacional no requiere que los agujeros negros tengan espines excepcionalmente altos”.

“Nuestro análisis también sugiere que la lente compacta podría estar inmersa en un campo gravitatorio mayor, como el de la galaxia que la alberga”, añade Héctor Villarrubia Rojo, coautor e investigador postdoctoral en la Universidad Complutense de Madrid. “Al considerar este potencial externo, podemos explicar la difracción a pequeña escala y la magnificación a gran escala dentro de un único marco teórico”.

La naturaleza de la lente sigue siendo un misterio. Una posibilidad es que se trate de un agujero negro de masa intermedia; sin embargo, los autores subrayan que aún no se puede determinar su naturaleza. Alternativamente, una estructura extendida, como un cúmulo globular, o incluso un conjunto de objetos estelares podría generar una señal similar. “La naturaleza de la lente sigue siendo un gran enigma en nuestro análisis, ya que las lentes compactas individuales con masas entre 100 y 1000 solares deberían ser extremadamente raras”, señala Zumalacárregui. “Investigaciones futuras serán necesarias para determinar si tales lentes pueden formarse o si un conjunto de objetos más ligeros, incluidas estrellas, podría explicar este fenómeno”.

En conclusión, GW231123 se presenta en un contexto peculiar, ya que el nuevo análisis no establece de manera definitiva que la señal haya sido alterada por una lente gravitacional, pero muestra que esta posibilidad puede explicar simultáneamente varias de sus características extraordinarias. Este caso también sugiere que las ondas gravitacionales podrían convertirse en una herramienta valiosa para investigar no solo los objetos que las generan, sino también aquellos que encuentran en su trayectoria.