LA COLISIÓN DE AGUJEROS NEGROS MÁS PESADA NO FUE EN CÍRCULO

El 23 de noviembre de 2023, los observatorios LIGO de Hanford y Livingston registraron GW231123, la fusión de dos agujeros negros más masiva de la que se ha informado hasta ahora. Suponiendo una órbita circular, el análisis estándar dio masas de unas 137 y 101 veces la masa del Sol, ambas girando a una velocidad extrema.

Esas cifras incomodan. El agujero negro menor cae en la llamada brecha de masas por inestabilidad de pares, un rango de masas que el colapso ordinario de una estrella apenas consigue producir. Una forma de esquivarlo es una fusión jerárquica: en un entorno abarrotado, como un cúmulo denso de estrellas, el remanente de una fusión permanece allí y más tarde vuelve a fusionarse. El artículo señala además una pista útil: cuando se fusionan dos agujeros negros de masa similar y poca rotación, el remanente suele girar con un valor de alrededor de 0,7, en la escala adimensional que usan los físicos, en la que valores cercanos a 1 indican una rotación casi extrema.

Solo unos pocos ciclos

GW231123 fue breve: solo unos pocos ciclos de onda medibles antes de la caída final. Eso hace que su interpretación sea muy sensible al modelo de la forma de onda. Hay una propiedad especialmente difícil de precisar: la excentricidad, cuán ovalada es la órbita. La emisión de ondas gravitacionales tiende a redondear las órbitas de parejas viejas y aisladas, pero los encuentros cercanos en entornos densos pueden dejar algo de excentricidad. En apenas unos ciclos, una órbita ovalada puede imitar el bamboleo de agujeros negros en rotación. Si un modelo deja fuera la excentricidad, las rotaciones pueden absorber su huella.

Empezar más abajo para ver más

Baoxiang Wang y Tao Yang, de la Universidad de Wuhan, con colegas de la Universidad Normal de Pekín, el Instituto Max Planck de Física Gravitacional de Potsdam y la Universidad de Ningbo, volvieron a analizar los datos públicos con un modelo de forma de onda que admite a la vez excentricidad y rotaciones con precesión. La diferencia clave: para el detector de Hanford, cuyos datos públicos se habían limpiado de un glitch, empezaron en 11 hercios en lugar de 20. La excentricidad es mayor a bajas frecuencias, así que esta parte temprana de la señal es la que más importa.

La excentricidad de la órbita resulta ser de 0,34, definida a una frecuencia de 5,5 hercios.
El modelo excéntrico sale favorecido por un factor de Bayes de 10,2: una órbita ovalada explica los datos unas diez veces mejor que una circular.
Empezando en 20 hercios, como hicieron estudios anteriores, encuentran poca excentricidad, de acuerdo con esos estudios.

Para comprobarlo, construyeron un GW231123 falso con órbita ovalada y lo analizaron del mismo modo. Se comportó exactamente como el evento real: claramente excéntrico desde 11 hercios, mucho menos desde 20. Empezar demasiado arriba puede ocultar una órbita ovalada.

El enigma de la rotación se afloja

Permitir la excentricidad cambia sobre todo al agujero negro menor. Su rotación baja de 0,90 en el análisis circular a cerca de 0,74, próxima al 0,7 esperado para el remanente de una fusión anterior. La señal falsa muestra el mismo efecto: analizada como circular, su agujero negro menor parece girar más rápido de lo que realmente gira.

El agujero negro mayor sigue girando rápido en ambos casos, y su masa encaja mal con un origen simple de segunda generación. Los dos agujeros negros podrían tener, por tanto, historias distintas: el menor, quizá hijo de dos agujeros negros anteriores; el mayor, formado de alguna otra manera. Añadir la posibilidad de una lente gravitacional en la línea de visión no cambia el resultado excéntrico.

Lo que cambia

Estudios anteriores usaron el agujero negro menor de GW231123 para situar el borde superior de la brecha de masas por inestabilidad de pares. Si ese agujero negro es a su vez producto de una fusión, sostienen los autores, su masa no puede fijar ese borde por sí sola. Un factor de Bayes de 10 es un indicio y no una prueba: los propios autores señalan que las señales verdaderamente excéntricas no siempre dan preferencias fuertes cuando la señal es corta. Cuando una frontera de población se apoya en unos pocos eventos inusuales, concluyen, las hipótesis sobre la forma de onda detrás de esos eventos importan directamente.