Hoy es el día de los enamorados. Así que voy a contarte una historia de amor inolvidable, romántica y apasionada, que ha marcado un antes y un después en nuestra forma de entender el Universo. Es la historia de dos agujeros negros treinta veces más masivos que el Sol.
AltruFísica vuelve después del parón de fin de año. Espero que estés llevando a cabo todos esos nuevos propósitos de año nuevo. Y si aún no te has puesto manos a la obra (o si ya los has cumplido todos), te recomiendo que veas mi último vídeo, sobre cómo empezar el año mejorando un poco el mundo.
Pero hoy es San Valentín, así que he decidido comenzar una serie de vídeos sobre algo que llevo muy cerca del corazón. Es el tema sobre el que hice mi doctorado: Los agujeros negros.
En concreto en este episodio voy a explicar cómo se forman las binarias de agujeros negros estelares. Y voy a contarlo por medio de una historia de amor que comenzó hace mil millones de años, en una galaxia muy muy lejana…
La mayor historia de amor del Universo
Ana y Bruno son hijos de la catástrofe. Nacen huérfanos. Nadie puede verlos. Nadie puede oírlos. Son fantasmas en la inmensidad del espacio.
Pero los caprichos del Universo llevan a Bruno hacia Ana, y a Ana hacia Bruno. Y así, al cabo de los años, una fuerza invisible comienza a acercarlos el uno al otro, hasta que acaban bailando juntos. Pero no una danza cualquiera, sino una coreografía celestial que revela los secretos más íntimos de la gravedad.
Así comienza la historia de Ana y Bruno. ¿Te parece demasiado poética para ser cierta? Pues en lo que queda de episodio te voy a demostrar que todo lo que he dicho está basado en hechos científicos. De hecho se trata de uno de los mayores descubrimientos de la historia, que llevó al premio Nobel de física de 2017.
Pero antes vamos a ponernos en contexto.
Agujeros negros estelares
Los agujeros negros se clasifican en tres tipos, según su masa:
- Los que tienen masas parecidas al Sol, o por debajo de unas 100 masas solares, se llaman “agujeros negros estelares”.
- Los que tienen masas de millones o hasta decenas de miles de millones de masas solares, son los “agujeros negros supermasivos”.
- Y aquellos con masa intermedia, entre 100 y un millón, se llaman… “agujeros negros de masa intermedia”.
Ana y Bruno tenían masas 29 y 36 veces la masa del Sol. Así que entran en la categoría de agujeros negros estelares. ¿Cómo se forman estos bicharracos?
Los agujeros negros de estas masas suelen ser el resultado de una enorme explosión de supernova, un evento catastrófico. Y esa estrella que estalla se llama “progenitor”, ya que es la madre del futuro agujero negro. De modo que, en efecto, Ana y Bruno nacieron tristemente siendo huérfanos.
Ahora mismo no voy a explicar lo que es una supernova ni lo que es un agujero negro (cosas que por supuesto se merecen su propio episodio). Pero simplemente mencionaré que los agujeros negros, cuando están solos, no emiten ni reflejan luz o cualquier otro tipo de radiación. O sea, que son, efectivamente, negros. Lo único que puede emitir un agujero negro es la llamada radiación de Hawking, que es un efecto insignificante para agujeros negros de esta masa.
De modo que nadie pudo nunca ver a Ana y a Bruno. Y por supuesto, en el espacio nadie puede oír tus gritos. Así que, en efecto, Ana y Bruno tampoco podían ser oídos.
Ahora bien, cuando los agujeros negros no están solos, entonces ocurren muchas cosas interesantes. Por ejemplo, si una estrella inocente pasa lo suficientemente cerca de un agujero negro, puede ser absorbida por él. Y al hacerlo, el material estelar se acelera tanto que emite enormes cantidades de radiación. O sea, que los agujeros negros pueden ser de hecho muy luminosos, si hay material a su alrededor.
Pero imagina que no hay ninguna estrella alrededor. Imagina que lo único que hay cerca de un agujero negro es… otro agujero negro. Pues te voy a contar algo que te parecerá contradictorio. Y es que los agujeros negros cuando están solos son invisibles. Pero cuando están en pareja, pueden ser más luminosos que todas las estrellas del Universo juntas.
Ahora bien, lo que emiten no es luz normal, o sea, radiación electromagnética, como la que emiten las estrellas. Lo que emite una pareja de agujeros negros son ondas gravitacionales (lo que, de nuevo, se merece su propio episodio).
Entonces ¿cómo se forman estas parejas?
Binarias de agujeros negros estelares
Una binaria de agujeros negros estelares no es más que un sistema compuesto por dos agujeros negros estelares, orbitando uno alrededor del otro. O sea, como la Tierra y la Luna… pero con dos agujeros negros en vez de la Tierra y la Luna.
A día de hoy, no está del todo claro cómo se forman las binarias de agujeros negros estelares. A grandes rasgos, existen dos posibilidades:
1. Binaria aislada
Una opción es que las dos estrellas progenitoras ya estuvieran emparejadas antes de dar lugar a los dos agujeros negros. En principio esta opción parece razonable, pero tiene algunos problemas.
Antes dije que para que se forme un agujero negro, la estrella progenitora tiene que morir, al explotar en una supernova. Estas explosiones son bastante caóticas y no suelen ser del todo simétricas. O sea, que puede que la explosión sea un poco más potente en una dirección que en otra. Y esto hace que el agujero negro resultante sienta “una patada” en una cierta dirección.
Así que, si las dos estrellas progenitoras ya estaban juntas desde el principio, para convertirse en una binaria de agujeros negros, la órbita tiene que sobrevivir no a una, sino a dos explosiones de supernova, con sus respectivas patadas. Lo cual puede ser complicado.
2. Binaria en un cúmulo estelar
Otra opción es que los dos agujeros negros se formen por separado y se encuentren más tarde para formar la binaria.
Pero claro, como ya conté en otro episodio el Universo es enorme, así que si los dos agujeros negros estuvieran vagando por el espacio a sus anchas, sería improbable que se cruzaran de casualidad y llegaran a formar una órbita.
Así que ese encuentro casual solo podría pasar en sitios donde haya mucha peña. Por ejemplo, en cúmulos estelares. En sitios así, tan densos, los encuentros casuales son más probables, y un agujero negro puede interactuar con otros objetos alrededor hasta acabar acoplándose a otro agujero negro, formando una órbita lo suficientemente cercana.
Total, que cuando dije que “los caprichos del Universo llevaron a Bruno hacia Ana” hacía referencia a estos complejos mecanismos que hacen que dos agujeros puedan formar una binaria.
Ondas gravitacionales
En la historia de Ana y Bruno mencioné una “fuerza invisible que los acerca el uno al otro”. Aquí, por supuesto, me refiero a la gravedad. Que sí, que decir que la gravedad es una fuerza es algo muy Newtoniano, pero bueno, tómalo como una pequeña licencia literaria.
Al final, efectivamente, cuando los dos componentes de la binaria están lo suficientemente cerca, empiezan a bailar. Dibujan una espiral hacia dentro hasta que se acaban convirtiéndose en uno solo.
Y a lo mejor te preguntas: ¿Pero qué pasa con la conservación de la energía? Buena pregunta. Si nos ponemos Newtonianos otra vez, realmente, una binaria tendría que estar dando vueltas por tiempo infinito, para conservar la energía de la órbita. Pero Einstein predijo hace algo más de cien años que, de hecho, la binaria pierde energía poco a poco, ya que emite ondas gravitacionales.
Estas ondas realmente no las emiten los agujeros negros, sino el espacio-tiempo alrededor de ellos. Son vibraciones que se desplazan a la misma velocidad que la luz, y que han sido uno de los grandes misterios de la física hasta que mis ex-compañeros de la colaboración LIGO las observaron por primera vez, el 14 de septiembre de 2015. Por eso, al fusionarse, Ana y Bruno revelaron uno de los secretos más íntimos de la gravedad.
Este descubrimiento no solo se llevó un Nobel entre otros muchos premios científicos, sino que abrió una nueva ventana al Universo, permitiéndonos ver cosas que nunca antes pudieron ser vistas.
Pero si quieres saber más sobre agujeros negros, las ondas gravitacionales y su descubrimiento, así como el final de la historia de Ana y Bruno, asegúrate de subscribirte al canal, ya que todo esto te lo contaré en otro episodio de AltruFísica.
