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El evento de ondas gravitacionales GW231123 fue detectado el 23 de noviembre de 2023 por los observatorios LIGO y, desde entonces, ha desconcertado a los astrofísicos por la presencia de agujeros negros con masas que parecían imposibles según las teorías actuales. Sin embargo, un nuevo estudio del Instituto Max Planck de Física Gravitacional (AEI), publicado en la revista The Astrophysical Journal Letters, sugiere que una lente gravitacional habría deformado la señal recibida, provocando que estos colosos cósmicos parecieran mucho más masivos de lo que realmente son.
Cuando la colaboración LIGO-Virgo-KAGRA analizó las ondas gravitacionales esas ondulaciones en el tejido del espacio del evento GW231123, los números no cuadraban con la física que conocemos. La señal indicaba la fusión de dos agujeros negros enormes, de unas 137 y 103 masas solares, que al chocar formaron un leviatán de 225 veces la masa de nuestro Sol. Pero, ¿podría ser posible? El problema se encuentran en lo que los astrofísicos denominan el «hueco de masa de los agujeros negros»; según los modelos estándar de evolución estelar, las estrellas muy masivas sufren un proceso llamado supernova por inestabilidad de pares, una explosión tan violenta que aniquila la estrella por completo sin dejar ningún remanente. Por tanto, no deberían existir agujeros negros nacidos del colapso estelar que pesen entre 60 y 130 masas solares.
Ondas gravitacionales y agujeros negros
@skyfocustk Lo más increíble de este descubrimiento es que las ondas gravitacionales producidas por la colisión deformaron la distancia entre los espejos de los detectores en una fracción menor que el tamaño de un protón⬇️ Sí, literalmente somos capaces de medir vibraciones del espacio-tiempo increíblemente pequeñas. Además, estas fusiones liberan una cantidad de energía absurda. Durante unas décimas de segundo, la potencia emitida en forma de ondas gravitacionales puede superar la luz combinada de todas las estrellas del universo observable. Y hay otro detalle fascinante: después de fusionarse, el agujero negro resultante puede recibir una auténtica «patada gravitacional», saliendo despedido a cientos o incluso miles de kilómetros por segundo debido a la emisión asimétrica de las ondas gravitacionales. Cada una de estas detecciones nos permite poner a prueba la Relatividad General en las condiciones más extremas conocidas, convirtiendo a los agujeros negros en auténticos laboratorios cósmicos. #agujerosnegros #astronomia #universo #ciencia #espacio ♬ Interstellar – Saymon Cleiton & jhonatan Rodrigues
Para entender este hallazgo, conviene partir de una de las leyes fundamentales de la naturaleza: la segunda ley de la termodinámica, que establece que la entropía de un sistema aislado no puede disminuir. Aunque a menudo se relaciona con el desorden, en física este concepto hace referencia al número de configuraciones microscópicas que pueden dar lugar a un mismo estado observable.
Los agujeros negros también tienen entropía, que está relacionada con la frontera a partir de la cual nada puede escapar, ni siquiera la luz. Cuando dos de estos objetos se fusionan, el área total de los horizontes puede aumentar, según esta ley. Sin embargo, si el proceso ocurriera a la inversa y un agujero negro convencional, sin rotación, se dividiera en dos, la entropía total disminuiría. Según la teoría de la relatividad general, esto supone un obstáculo fundamental para que pueda producirse esa fragmentación.
Los investigadores Giacomo Cacciapaglia, Manuel Del Piano, Francesco Sannino y Vania Vellucci decidieron estudiar hasta qué punto se mantiene esta limitación. En un estudio publicado en Physical Review D, analizaron el papel de la rotación, la conservación de la energía y del momento angular, así como las condiciones que deberían cumplir los fragmentos para separarse.
Sus resultados plantean que los agujeros negros en rotación, conocidos como agujeros negros de Kerr, podrían presentar condiciones que permitan una excepción a la prohibición habitual. Sin embargo, que la división sea compatible con la entropía no es suficiente: los dos objetos resultantes también deben poder alejarse sin volver a caer el uno hacia el otro.
La clave parece estar en los agujeros negros que rotan a velocidades extremas. Según los cálculos, cuanto más cerca está uno de alcanzar su límite teórico de rotación, más posibilidades aparecen de que su fragmentación resulte viable desde el punto de vista matemático.
Aun así, existe una diferencia importante entre encontrar una configuración posible sobre el papel y demostrar que puede producirse en la naturaleza. Como explicó Sannino en un comunicado de la Universidad del Sur de Dinamarca, al añadir la condición de que ambos fragmentos deben escapar de la atracción gravitatoria mutua, la mayoría de los escenarios dejaron de ser viables.
Agujeros negros primordiales
Los investigadores también analizaron escenarios que van más allá de la relatividad general convencional, como los modelos que contemplan dimensiones espaciales adicionales o modificaciones de las leyes de la gravedad.
Esta posibilidad podría tener relación con los agujeros negros primordiales. Se trata de objetos hipotéticos que podrían haberse formado durante las primeras etapas del universo y que, a diferencia de los nacidos del colapso de estrellas, podrían presentar masas muy inferiores. Según la Universidad de Nápoles Federico II, si la fragmentación produjera objetos suficientemente pequeños, estos podrían terminar evaporándose mediante la radiación de Hawking.
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