En el mundo de los agujeros negros, generalmente existen tres categorías de tamaño: agujeros negros de masa estelar (entre cinco y cincuenta veces la masa del Sol), agujeros negros supermasivos (entre millones y miles de millones de veces la masa del Sol) y agujeros negros de masa intermedia, con masas intermedias.
Si bien sabemos que los agujeros negros de masa intermedia deberían existir, se sabe poco sobre sus orígenes o características; se consideran los raros «eslabones perdidos» en la evolución de los agujeros negros.
Sin embargo, cuatro nuevos estudios han arrojado nueva luz sobre el misterio. La investigación fue dirigida por un equipo del laboratorio del profesor adjunto de Física y Astronomía Karan Jani, quien también es director fundador de la Iniciativa de Laboratorios Lunares de Vanderbilt.
El artículo principal, «Propiedades de los candidatos a agujeros negros de masa intermedia ‘Lite’ en el tercer ciclo de observación de LIGO-Virgo», se publicó en Astrophysical Journal Letters y fue dirigido por la investigadora postdoctoral de Lunar Labs Anjali Yelikar y la candidata a doctorado en astrofísica Krystal Ruiz-Rocha. El equipo reanalizó datos de los detectores del Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferometría Láser (LIGO), ganadores del Premio Nobel en EE. UU., y del detector Virgo en Italia.
Los investigadores descubrieron que estas ondas correspondían a fusiones de agujeros negros con masas superiores a 100 y 300 veces la del Sol, lo que los convierte en los eventos de ondas gravitacionales más intensos registrados en astronomía.
«Los agujeros negros son los fósiles cósmicos por excelencia», afirmó Jani. «Las masas de los agujeros negros descritas en este nuevo análisis han sido altamente especulativas en astronomía. Esta nueva población de agujeros negros abre una ventana sin precedentes a las primeras estrellas que iluminaron nuestro universo». Los detectores terrestres como LIGO capturan solo una fracción de segundo de la colisión final de estos agujeros negros ligeros de masa intermedia, lo que dificulta determinar cómo el universo los crea. Para abordar esto, el laboratorio de Jani recurrió a la próxima misión de la Antena Espacial de Interferometría Láser (LISA) de la Agencia Espacial Europea y la NASA, que se lanzará a finales de la década de 2030.
En dos estudios adicionales publicados en The Astrophysical Journal, «Un Mar de Agujeros Negros: Caracterización de la Firma LISA para Sistemas Binarios de Agujeros Negros de Origen Estelar», dirigido por Ruiz-Rocha, y «Una Historia de Dos Agujeros Negros: Medición Multibanda de Ondas Gravitacionales de Retrocesos», dirigido por el exbecario de investigación de verano Shobhit Ranjan, el equipo demostró que LISA puede rastrear estos agujeros negros años antes de su fusión, lo que arroja luz sobre su origen, evolución y destino.
Detectar ondas gravitacionales en colisiones de agujeros negros requiere una precisión extrema, como intentar oír caer un alfiler durante un huracán. En un cuarto estudio, también publicado en The Astrophysical Journal, «Sin Fallos en la Matriz: Reconstrucción Robusta de Señales de Ondas Gravitacionales bajo Artefactos de Ruido», el equipo demostró cómo los modelos de inteligencia artificial garantizan que las señales de estos agujeros negros permanezcan intactas ante el ruido ambiental y del detector en los datos. El artículo fue dirigido por el investigador postdoctoral Chayan Chatterjee y amplía el Programa de IA para nuevos mensajeros de Jani, una colaboración con el Instituto de Ciencias de Datos.
«Esperamos que esta investigación refuerce la idea de que los agujeros negros de masa intermedia son la fuente más interesante de la red de detectores de ondas gravitacionales desde la Tierra hasta el espacio», declaró Ruiz-Rocha. «Cada nueva detección nos acerca a la comprensión del origen de estos agujeros negros y por qué se encuentran en este misterioso rango de masa».
En el futuro, Yelikar afirmó que el equipo explorará cómo podrían observarse los agujeros negros de masa intermedia utilizando detectores en la Luna.
«El acceso a frecuencias de ondas gravitacionales más bajas desde la superficie lunar podría permitirnos identificar los entornos en los que habitan estos agujeros negros, algo que los detectores terrestres simplemente no pueden resolver», añadió.
Además de continuar con esta investigación, Jani también colaborará con las Academias Nacionales de Ciencias, Ingeniería y Medicina en un estudio patrocinado por la NASA para identificar destinos lunares de alto valor para la exploración humana y así abordar objetivos científicos decenales.
Como parte de su participación en este estudio, Jani contribuirá al Panel de Heliofísica, Física y Ciencias Físicas para identificar y articular los objetivos científicos relacionados con la física solar, el clima espacial, la astronomía y la física fundamental que la exploración humana en la Luna podría facilitar.
«Este es un momento emocionante en la historia, no solo para estudiar los agujeros negros, sino para unir las fronteras científicas con la nueva era de la exploración espacial y lunar», declaró Jani. «Tenemos una oportunidad única de formar a la próxima generación de estudiantes cuyos descubrimientos serán moldeados por la Luna y se realizarán a partir de ella».
Con información de TAJ, TAJ, The Astrophysical Journal, The Astrophysical Journal
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