Explicación de la fusión «imposible» de dos agujeros negros masivos

En 2023, los astrónomos detectaron una colisión colosal. Dos agujeros negros de masa sin precedentes chocaron a una distancia estimada de 7 mil millones de años luz. Las enormes masas y las extremas velocidades de rotación de los agujeros negros desconcertaron a los astrónomos. Se suponía que agujeros negros como estos no existían.

Ahora, astrónomos del Centro de Astrofísica Computacional (CCA) del Instituto Flatiron y sus colegas han descubierto cómo pudieron haberse formado y colisionado estos agujeros negros. Las exhaustivas simulaciones de los astrónomos —que siguen el sistema desde la vida de las estrellas progenitoras hasta su muerte final— revelaron la pieza clave que estudios anteriores habían pasado por alto: los campos magnéticos.

«Nadie había considerado estos sistemas como lo hicimos nosotros; anteriormente, los astrónomos simplemente tomaban un atajo y omitían los campos magnéticos», afirma Ore Gottlieb, astrofísico del CCA y autor principal del nuevo estudio publicado en The Astrophysical Journal Letters. «Pero una vez que se consideran los campos magnéticos, es posible explicar el origen de este evento único».

La colisión detectada en 2023, ahora conocida como GW231123, fue observada por la colaboración LIGO-Virgo-KAGRA mediante detectores que miden ondas gravitacionales, las ondulaciones en el espacio-tiempo causadas por el movimiento de objetos masivos.

En aquel entonces, los astrónomos no podían comprender cómo surgían agujeros negros tan grandes y de rotación tan rápida. Cuando las estrellas masivas llegan al final de sus vidas, muchas colapsan y explotan como supernovas, dejando tras de sí un agujero negro. Pero si la estrella se encuentra dentro de un rango de masa específico, se produce un tipo especial de supernova. Esta explosión, llamada supernova de inestabilidad de pares, es tan violenta que la estrella se aniquila por completo, sin dejar rastro.

«Como resultado de estas supernovas, no esperamos que se formen agujeros negros con masas entre aproximadamente 70 y 140 veces la del Sol», afirma Gottlieb. «Por lo tanto, fue desconcertante observar agujeros negros con masas dentro de este intervalo».

Los agujeros negros en este intervalo de masas pueden formarse indirectamente, cuando dos agujeros negros se fusionan para formar uno mayor, pero en el caso de GW231123, los científicos consideraron esto improbable. La fusión de agujeros negros es un evento tremendamente caótico que a menudo altera la rotación del agujero negro resultante. Los agujeros negros de GW231123 fueron los que giran más rápido observados por LIGO, arrastrando el espacio-tiempo a su alrededor a casi la velocidad de la luz. Dos agujeros negros de ese tamaño y rotación son increíblemente improbables, por lo que los astrónomos pensaron que debía haber otro factor en juego.

Gottlieb y sus colaboradores investigaron mediante dos etapas de simulaciones computacionales. Primero simularon una estrella gigante con una masa 250 veces mayor que la del Sol durante la etapa principal de su vida, desde que comienza a quemar hidrógeno hasta que se agota y colapsa en una supernova. Para cuando una estrella tan masiva alcanza la etapa de supernova, ha consumido suficiente combustible como para reducir su masa a solo 150 veces la del Sol, situándose justo por encima del límite de masa y lo suficientemente grande como para dejar un agujero negro.

Un segundo conjunto de simulaciones más complejas, que consideraban los campos magnéticos, abordó las consecuencias de la supernova. El modelo partía de los restos de la supernova: una nube de material estelar residual con campos magnéticos y un agujero negro en su centro. Anteriormente, los astrónomos suponían que toda la masa de la nube caería en el agujero negro recién formado, haciendo que la masa final de este coincidiera con la de la estrella masiva. Pero las simulaciones mostraron algo diferente.

Después de que una estrella no rotatoria colapsa para formar un agujero negro, la nube de restos cae rápidamente en él. Sin embargo, si la estrella inicial giraba rápidamente, esta nube forma un disco giratorio que provoca que el agujero negro gire cada vez más rápido a medida que la materia cae en su abismo. Si existen campos magnéticos, estos ejercen presión sobre el disco de escombros. Esta presión es lo suficientemente fuerte como para expulsar parte de la materia del agujero negro a casi la velocidad de la luz.

Estos flujos de salida reducen la mayor parte de la materia en el disco que finalmente alimenta el agujero negro. Cuanto más intensos sean los campos magnéticos, mayor será este efecto. En casos extremos con campos magnéticos muy fuertes, hasta la mitad de la masa original de la estrella puede ser expulsada a través del material expulsado por el disco del agujero negro. En el caso de las simulaciones, los campos magnéticos crearon finalmente un agujero negro en el espacio de masas.

«Descubrimos que la presencia de rotación y campos magnéticos puede cambiar fundamentalmente la evolución post-colapso de la estrella, haciendo que la masa del agujero negro sea potencialmente mucho menor que la masa total de la estrella colapsada», afirma Gottlieb.

Según Gottlieb, los resultados sugieren una conexión entre la masa de un agujero negro y su velocidad de rotación. Los campos magnéticos intensos pueden frenar un agujero negro y llevarse parte de su masa estelar, creando agujeros negros más ligeros y con una rotación más lenta. Los campos más débiles permiten la formación de agujeros negros más masivos y con una rotación más rápida. Esto sugiere que los agujeros negros podrían seguir un patrón que vincula su masa con su velocidad de rotación.

Si bien los astrónomos no conocen otros sistemas de agujeros negros en los que esta conexión pueda comprobarse mediante observaciones, esperan que futuras observaciones encuentren más sistemas similares que puedan confirmarla.

Las simulaciones también muestran que la formación de este tipo de agujeros negros genera ráfagas de rayos gamma, que podrían ser observables. La búsqueda de estas señales de rayos gamma ayudaría a confirmar el proceso de formación propuesto y a revelar la frecuencia con la que estos agujeros negros masivos podrían ser comunes en el universo. En última instancia, si se confirma dicha conexión, ayudaría a los astrónomos a comprender mejor la física fundamental de los agujeros negros.

Con información de The Astrophysical Journal Letters