Un equipo internacional liderado por el Instituto de Física de Altas Energías (IGFAE) de la Universidad de Santiago de Compostela en España midió conjuntamente por primera vez la velocidad de "retroceso" y la dirección de los agujeros negros después de su fusión. Este resultado ha sido publicado en Nature Astronomy. Las investigaciones muestran que las ondas gravitacionales no sólo transportan energía, sino también impulso, lo que le da al agujero negro final un retroceso de "inicio" después de que los agujeros negros se fusionan, permitiéndole moverse a través del universo a una velocidad considerable.
Las ondas gravitacionales son ondas en el espacio-tiempo predichas por Einstein en su teoría general de la relatividad de 1916. Cuando cuerpos celestes extremadamente densos y masivos, como los agujeros negros, chocan violentamente, tales fluctuaciones se agitarán y se extenderán en todas las direcciones del universo. Dado que las ondas gravitacionales transportan la energía y el impulso del sistema, una vez que la radiación de la onda no es completamente simétrica en su distribución espacial, el agujero negro resultante retrocederá bajo el empuje "desequilibrado", que también se llama vívidamente "el agujero negro fue pateado". La fuerza del retroceso está estrechamente relacionada con la masa y el giro de los dos agujeros negros iniciales, mientras que la dirección del retroceso depende de la configuración geométrica de todo el sistema en el espacio.
En el pasado, los científicos podían medir principalmente algunos parámetros geométricos, como la inclinación orbital, a partir de señales de ondas gravitacionales. Otro ángulo clave, el ángulo azimutal, ha sido difícil de obtener con precisión. Este equipo de investigación descubrió que los "modos de orden superior" en las ondas gravitacionales contienen información geométrica que antes era difícil de leer, que puede usarse para restaurar este ángulo faltante y calcular la dirección tridimensional del retroceso.
Los investigadores utilizaron el evento de onda gravitacional GW190412, que fue detectado conjuntamente por los observatorios Advanced LIGO y Virgo en 2019, como muestra para verificar el método. En este caso, las masas de los dos agujeros negros obviamente no son iguales, por lo que muestran características de modo de orden alto claramente discernibles en la señal, lo cual es muy adecuado para un análisis fino. Mediante simulaciones numéricas precisas basadas en las ecuaciones de Einstein, el equipo calculó que la velocidad de retroceso del agujero negro fusionado supera los 50 kilómetros por segundo, lo que es lo suficientemente rápido como para escapar de algunos cúmulos estelares densos (como algunos cúmulos estelares globulares). El factor de Bayes dado por el análisis estadístico es de aproximadamente 21, lo que corresponde a un nivel de confianza de alrededor del 95%, lo que respalda firmemente esta conclusión.
Mientras determinaba la velocidad, el equipo también comparó la dirección de retroceso con direcciones de referencia como el eje de la órbita del sistema y la dirección de observación de la Tierra. Los resultados mostraron que la "patada" no fue a lo largo del plano orbital, ni apuntaba directamente a la Tierra, sino en una dirección intermedia entre ambas. El profesor Juan Calderón-Bustillo, uno de los miembros del proyecto, hizo una analogía: la señal de la onda gravitacional es como una orquesta. Dependiendo de la posición de una persona, los "instrumentos" que se escuchan serán diferentes, y esta "diferencia de color de tono" ayuda a los científicos a reconstruir la trayectoria del movimiento del agujero negro en el espacio tridimensional. El Dr. Kustav Chandra, de la Universidad Estatal de Pensilvania, señaló que este método equivale a reconstruir el verdadero movimiento de los cuerpos celestes a miles de millones de años luz de distancia utilizando únicamente "ondas" en el espacio y el tiempo.
El autor afirma que estas mediciones precisas del retroceso son especialmente importantes para estudiar las fusiones de agujeros negros que se producen en entornos especiales. Por ejemplo, en los núcleos galácticos activos con discos de acreción, las fusiones de agujeros negros pueden ir acompañadas de señales como luz visible y radiación electromagnética. Que podamos observar estos destellos depende en gran medida de la relación geométrica relativa entre la dirección de retroceso y la Tierra. Por lo tanto, conocer la dirección de retroceso puede ayudar a los astrónomos a juzgar si un determinado evento de onda gravitacional y un estallido electromagnético realmente provienen del mismo evento cósmico, o si es solo una coincidencia en el tiempo.
El equipo de investigación cree que este trabajo marca que la astronomía de ondas gravitacionales está saliendo gradualmente de la etapa en la que "sólo se escuchan fusiones" y entrando en una nueva etapa que puede mapear meticulosamente la estructura espacial y los procesos dinámicos de los eventos. En el futuro, a medida que aumente la sensibilidad del detector y las muestras de eventos, medir simultáneamente la velocidad de retroceso y la dirección de los agujeros negros se convertirá en un método de rutina, lo que ayudará a la comunidad científica a comprender más claramente cómo los agujeros negros crecen y migran en el universo, y dan forma a la evolución de las galaxias y las estructuras a gran escala.