En noviembre de 2023, los detectores LIGO capturaron ondas gravitacionales generadas por la fusión de dos agujeros negros, cuya masa total se estimó entre 190 y 265 veces la del Sol. Este evento, denominado GW231123, se convirtió en la fusión de agujeros negros más masiva registrada hasta la fecha. Sin embargo, un nuevo análisis sugiere que la magnitud de esta fusión podría no ser tan extraordinaria como se pensaba. Se plantea la hipótesis de que la señal pudo haber sido amplificada y distorsionada por la influencia gravitacional de otros objetos situados entre los agujeros negros y la Tierra.
Investigadores del Instituto Max Planck de Física Gravitacional (Albert Einstein Institute, AEI), Srashti Goyal, Héctor Villarrubia Rojo y Miguel Zumalacárregui, sugieren que GW231123 pudo haber atravesado lo que podría considerarse una «lupa cósmica». Esta «lente» sería una combinación de efectos de lente gravitacional y microlente, que no solo incrementaría la intensidad de las ondas gravitacionales, sino que también alteraría su forma de manera sutil.
Gravedad y distorsión de señales
La base de esta idea radica en un fenómeno bien conocido en el marco de la relatividad general. La gravedad de un objeto masivo puede curvar el espacio-tiempo, lo que a su vez afecta la trayectoria de la luz y de las ondas gravitacionales. Cuando una señal se aproxima a una concentración de materia significativa, puede llegar a nosotros amplificada, como si hubiera pasado a través de una inmensa lente.
Pero, ¿cuáles son las implicaciones de esto? La expansión del universo provoca que una fuente distante parezca tener una masa mayor al analizar directamente su señal, debido al efecto del corrimiento al rojo. Al mismo tiempo, una lente gravitacional puede amplificar la señal, haciendo que la fuente parezca más cercana de lo que realmente está. La combinación de estos factores puede resultar en una sobreestimación de la masa.
“Al igual que la luz, las ondas gravitacionales pueden desviarse, amplificarse y dividirse en múltiples señales debido a la influencia de objetos masivos”, explica Miguel Zumalacárregui, líder del grupo en el Departamento de Relatividad Astrofísica y Cosmológica del AEI. “En el caso de las ondas gravitacionales, los efectos de difracción e interferencia nos proporcionan una forma adicional de identificar y estudiar las señales distorsionadas”.
Análisis de la señal GW231123
Para explorar esta hipótesis, los investigadores evaluaron GW231123 en tres escenarios: sin la influencia de una lente gravitacional, con una lente puntual aislada y con una lente puntual en un campo gravitacional mayor, similar al que podría generar una galaxia. Este último enfoque es el más integral, ya que considera simultáneamente los efectos de diferentes escalas gravitacionales.
Los resultados favorecen la interpretación de que la señal experimentó el fenómeno de lensing. En las simulaciones realizadas para estimar la probabilidad de que el ruido de los detectores generara una señal similar de forma aleatoria, se halló una probabilidad de falsa alarma inferior al 1%. Aunque este hallazgo es relevante, los propios autores advierten que aún no representa una detección definitiva del efecto de lente gravitacional.
Un indicio clave radica en una leve distorsión de la señal. Una lente compacta puede dar lugar a un fenómeno conocido como difracción en el contexto de óptica ondulatoria. En lugar de comportarse simplemente como un rayo que sigue un camino directo, la onda gravitacional puede mostrar interferencias y otras modificaciones características. En el caso de GW231123, se observa una estructura adicional que aparece aproximadamente 20 milisegundos después de la señal principal. Este rasgo no puede ser completamente explicado mediante la aproximación convencional de óptica geométrica y resulta crucial para interpretar los datos.
Redefiniendo la masa de los agujeros negros
Si esta interpretación es válida, también transforma la narrativa sobre los agujeros negros que se fusionaron. Sin el efecto de la lente, el sistema parecería tener una masa total cercana a 232 masas solares, lo que implicaría agujeros negros inusualmente pesados y velocidades de rotación extremadamente altas, convirtiéndolo en un objeto difícil de reconciliar con los modelos de formación de agujeros negros convencionales.
Con la inclusión de la lente gravitacional, la situación se torna más plausible. El análisis estima la masa total intrínseca del sistema en alrededor de 137 masas solares como valor mediano, con componentes individuales por debajo de 100 y 50 masas solares. Además, la fuente podría estar a un corrimiento al rojo de aproximadamente 1.2, mucho más lejos que la estimación previa que no consideraba la lente.
El enigma de la lente gravitacional
La lente también podría poseer una masa considerable. El estudio sugiere que el objeto compacto responsable de la difracción podría tener entre 188 y 850 masas solares, bajo el modelo de una lente integrada en una galaxia. “Si asumimos que GW231123 fue desviada y distorsionada por un objeto compacto de entre 190 y 850 masas solares, o por una estructura extendida como un cúmulo globular, podemos entender las elevadas masas observadas”, comenta Srashti Goyal, coautora principal del estudio. “Además, la interpretación del efecto de lente gravitacional no requiere espines excepcionalmente altos”.
“Nuestro análisis también sugiere que la lente compacta estaba inmersa en un campo gravitatorio mayor, como el de la galaxia que la albergaba”, añade Héctor Villarrubia Rojo, coautor y investigador postdoctoral en la Universidad Complutense de Madrid. “Al incluir este potencial externo, podemos describir la difracción a pequeña escala y la amplificación a gran escala dentro de un mismo marco teórico”.
La naturaleza de la lente permanece como un enigma. Aunque una posibilidad es que se trate de un agujero negro de masa intermedia, los autores subrayan que su naturaleza aún no puede ser determinada. Alternativamente, podría ser una estructura extendida, como un cúmulo globular, o incluso un grupo de objetos estelares que produzcan una señal similar. “La naturaleza de la lente sigue siendo un gran misterio en nuestro análisis, ya que lentes compactas individuales con entre 100 y 1000 masas solares deberían ser extremadamente raras”, concluye Zumalacárregui. “Futuros estudios serán necesarios para determinar si tales lentes pueden formarse o si un conjunto de objetos más ligeros, incluidas las estrellas, puede explicar este fenómeno”.
En resumen, GW231123 se encuentra en una situación intrigante, ya que el nuevo análisis no confirma de manera definitiva que la señal haya sido distorsionada por una lente gravitacional, pero sugiere que esta posibilidad podría explicar varias de sus características excepcionales de manera conjunta. Este caso también ilustra el potencial de las ondas gravitacionales como herramienta para investigar no solo los objetos que las generan, sino también todo lo que encuentran en su trayectoria.