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La colisión de agujeros negros más grande jamás detectada

Se detecta un monstruoso e 'imposible' agujero negro involucrado en la fusión 'más masiva'

Hace siete mil millones de años, chocaron dos agujeros negros verdaderamente enormes y formaron uno con 142 veces la masa del sol

Hace siete mil millones de años, dos grandes agujeros negros chocaron y formaron uno nuevo masivo. Es la colisión de agujeros negros más grande jamás detectada en el espacio, y el nuevo agujero negro formado en el choque es el más grande de su tipo jamás detectado. Es tan grande, de hecho, que los físicos no estaban seguros de que pudiera existir.

Las ondas de esa colisión alcanzaron los dos detectores del Observatorio de ondas gravitacionales con interferómetro láser (LIGO) en los EE. UU. y otro en Italia llamado Virgo el 21 de mayo de 2019, después de viajar por el espacio durante 2.500 millones de años más de lo que ha existido el Sol. Esas ondas revelaron firmas de la fusión de al menos dos agujeros negros: uno, un agujero negro de 85 veces la masa del sol y otro 66 veces la masa del Sol.

Cuando chocaron, formaron un agujero negro de 142 veces la masa del Sol. El valor de la materia de los nueve soles faltantes se convirtió en energía en la colisión, sacudiendo el universo lo suficientemente fuerte como para que LIGO y Virgo lo detecten e interpreten. Y así es como los científicos aprendieron que pueden existir agujeros negros con 85 de masa solar y monstruosos agujeros negros cob 142de masa solar.

Colisión de dos agujeros negros Colisión de dos agujeros negros

"Esta [señal] no se parece mucho a un chirrido, que es lo que normalmente detectamos", dijo en un comunicado Nelson Christensen, miembro de la colaboración de Virgo. "Es más como algo que hace 'bang'".

Ese "estallido" sacudió nuestra región del espacio durante sólo una décima de segundo después de viajar durante un período de tiempo más largo que el de cualquier onda gravitacional jamás detectada. Pero al analizar la forma de la onda, los investigadores se dieron cuenta del tipo de agujeros negros involucrados y exactamente qué tan grandes eran.

Hasta ahora los agujeros negros se han clasificado en dos categorías: agujeros negros de masa estelar y agujeros negros supermasivos.

Los agujeros negros de masa estelar, formados por el colapso de estrellas, no son mucho más grandes que unas pocas docenas de veces la masa del sol. Estos son los agujeros negros que LIGO y Virgo han detectado previamente fusionándose.

En el otro extremo del espectro están los agujeros negros supermasivos, con masas millones o miles de millones de veces la de nuestro sol y con gravedad para hacer crecer galaxias enteras a su alrededor. La Vía Láctea tiene uno, al igual que la mayoría de las otras galaxias comparables. Pero los científicos no están seguros de dónde vinieron o cómo se formaron; nunca han detectado una fusión de agujeros negros tan monstruosos.

Entre los agujeros negros supermasivos y de masa estelar hay una amplia "brecha de masas", un rango de masas donde nunca se han detectado agujeros negros. Una idea es que los supermasivos surgen de fusiones de agujeros negros de masa estelar. Pero, si ese es el caso, entonces tendrían que atravesar este rango de masas. Los agujeros negros de masa estelar se combinarían para formar agujeros negros de brecha de masas, que se combinarían y combinarían hasta convertirse en supermasivos. Pero hasta ahora, los científicos nunca habían visto que eso sucediera.

"Uno de los grandes misterios de la astrofísica es '¿Cómo se forman los agujeros negros supermasivos?'", dijo en un comunicado el coautor del estudio Christopher Berry, físico de la Universidad de Northwestern . "Son el millón de elefantes de masa solar que hay en la habitación. ¿Crecen a partir de agujeros negros de masa estelar, que nacen cuando una estrella colapsa, o nacen por medios desconocidos? Hemos buscado durante mucho tiempo un agujero negro de masa intermedia para cerrar la brecha entre los agujeros negros de masa estelar y supermasivos. Ahora, tenemos pruebas de que los agujeros negros de masa intermedia existen".

evento GW190521

Imagen: El evento GW GW190521 observado por los detectores LIGO Hanford (izquierda), LIGO Livingston (centro) y Virgo (derecha).

Este descubrimiento en realidad reveló que los agujeros negros pueden existir en dos espacios de masa separados. El agujero negro de 85 masas solares encaja en la brecha de la "inestabilidad de pares".

Las estrellas más ligeras no colapsan en agujeros negros porque la presión hacia afuera de los fotones y el gas en sus núcleos los mantiene hinchadas a grandes volúmenes, creen los investigadores. Pero en masas muy grandes, la energía en el núcleo de una estrella convierte fotones en pares de electrones y antielectrones, que juntos producen menos presión que los fotones. Eso significa que cuando la estrella colapsa, el proceso es tan rápido y enérgico que gran parte de la masa se lleva al espacio. Entonces, una estrella de 130 masas solares puede colapsar y formar un agujero negro de 66 masas solares.

Esta brecha de "inestabilidad de pares" varía entre 66 masas solares y 120 masas solares, un rango en el que los cálculos teóricos sugieren que ningún agujero negro podría formarse directamente a partir de una estrella que colapsa. El agujero negro de 85 masas solares detectado en 2019 cae directamente en ese rango. La explicación más probable es que se trata de un agujero negro de "segunda generación", formado por dos progenitores más pequeños. Es posible que el agujero negro de 66 masas solares también fuera un tipo de segunda generación, escribieron los investigadores en el estudio.

El agujero negro de 142 masas solares cae en una brecha de masa diferente y más grande. Un agujero negro que es más masivo que 120 soles podría teóricamente haberse formado a partir de estrellas muy grandes que colapsan. Pero nunca se ha detectado ningún agujero negro en ese rango, y hasta ahora los investigadores no estaban seguros de si los agujeros negros de esa masa podrían existir, ahora importa cómo se formaron. Pero este nuevo agujero negro de 142 masas solares cae directamente en ese rango, entre las masas estelares y las supermasivas. Demuestra que pueden existir agujeros negros de esa masa.

Visualización de la NASA del disco de acreción de un agujero negro

Y todavía es posible, escribieron los investigadores, que esta señal no revele agujeros negros muy grandes como supusieron los investigadores.

"¿Y si algo completamente nuevo produjera estas ondas gravitacionales?", dijo en el comunicado de Northwestern, Vicky Kalogera, otra investigadora de Northwestern. "Es una perspectiva tentadora ... Por ejemplo, quizás las ondas gravitacionales fueron emitidas por una estrella en colapso en nuestra galaxia. La señal también podría ser de una cuerda cósmica producida justo después de que el universo se inflara en sus primeros momentos, aunque ninguna de estas exóticas posibilidades coincide con los datos, así como una fusión binaria".

La astronomía de ondas gravitacionales es todavía tan nueva que es imposible estar seguro. A medida que LIGO, Virgo y los futuros detectores recopilen más datos de nuevos eventos, escribieron los investigadores, la imagen debería ser más clara. Y este evento, con su promesa de agujeros negros súper grandes, podría eventualmente volverse más fácil de explicar.

Un artículo que describe el descubrimiento se publicó el 2 de septiembre en la revista Physical Review Letters: GW190521: A Binary Black Hole Merger with a Total Mass of 150 M

Otro artículo que explora sus implicaciones también se publicó ayer en The Astrophysical Journal Letters: Properties and Astrophysical Implications of the 150 M ⊙ Binary Black Hole Merger GW190521

Modificado por última vez enJueves, 03 Septiembre 2020 12:15