El verdadero origen de los agujeros negros con más masa

Unos científicos creen haber descubierto cómo se formaron los agujeros negros más masivos del universo. Las conclusiones de su investigación parecen ser la solución a este misterio.

El estudio lo ha realizado un equipo que incluye a expertos de la Universidad de Cardiff en el Reino Unido, del Instituto de Estudios Espaciales de Cataluña (IEEC) y del Instituto de Ciencias del Cosmos de la Universidad de Barcelona (ICCUB), en Cataluña, España.

Los agujeros negros más masivos del universo, detectables mediante las ondulaciones que generan en el espacio-tiempo, no nacieron directamente del colapso de estrellas, según el nuevo estudio. En vez de eso, estos gigantes cósmicos se desarrollaron a través de una serie de fusiones repetidas y extremadamente violentas en cúmulos estelares muy densos.

En el estudio, se analizó la versión 4.0 del Catálogo de Transitorios de Ondas Gravitacionales (GWTC-4, por sus siglas en inglés) de la Colaboración LIGO–Virgo–KAGRA, que contiene 153 detecciones suficientemente fiables de fusiones de agujeros negros.

El equipo quería poner a prueba la idea de que los agujeros negros más pesados del GWTC-4 son objetos de segunda generación, es decir, formados cuando agujeros negros previos se fusionaron y, posteriormente, volvieron a fusionarse en los núcleos densos de los cúmulos estelares, donde las estrellas pueden estar empaquetadas hasta un millón de veces más estrechamente que en la vecindad del Sol. Sus hallazgos indagan en los orígenes de los agujeros negros más masivos detectados mediante ondas gravitacionales, revelando dos poblaciones distintas.

A unos 28 000 años-luz de distancia, el cúmulo globular M80 acoge cientos de miles de estrellas ligadas por la gravedad. Entornos abarrotados como este pueden favorecer la formación en un plazo relativamente breve de agujeros negros de masa enorme mediante fusiones consecutivas entre agujeros de menor masa. (Foto: NASA / ESA / STScI / A. Sarajedini / Universidad de Florida)

«La astronomía de ondas gravitatorias ahora hace algo más que contar fusiones de agujeros negros», explica Fabio Antonini, de la Escuela de Física y Astronomía de la Universidad de Cardiff y coautor del estudio. «Está empezando a revelar cómo crecen los agujeros negros, dónde lo hacen y qué nos dice eso sobre la vida y la muerte de las estrellas masivas».

«La capacidad de señalar directamente a los cúmulos estelares como el origen de estas fusiones abre la emocionante posibilidad de utilizar las ondas gravitatorias como una herramienta completamente nueva para aprender sobre la formación y la evolución temprana de los cúmulos estelares densos que se formaron en el universo temprano», afirma Mark Gieles, coautor del estudio y profesor de investigación contratado por la Institución Catalana de Investigación y Estudios Avanzados (ICREA) en el IEEC y el ICCUB.

Dos poblaciones de agujeros negros

En los datos de ondas gravitatorias, el equipo identificó, por un lado, una población de menor masa compatible con el colapso estelar ordinario y, por otro lado, una población de mayor masa cuyas rotaciones aparecen exactamente como se esperaría si esos agujeros negros se hubieran formado mediante fusiones repetidas con otros agujeros negros dentro de grupos de estrellas abarrotados, en vez de haber nacido directamente de estrellas individuales.

«Lo que más nos sorprendió fue la claridad con la que los agujeros negros de gran masa destacan como una población separada», recuerda la coautora Isobel Romero-Shaw, investigadora Ernest Rutherford en la Universidad de Cardiff.

«A diferencia de los sistemas de menor masa que analizamos, que generalmente tenían una rotación lenta, los sistemas de mayor masa parecen tener rotaciones más rápidas, orientadas en direcciones aparentemente aleatorias», añade. «Esta es la firma exacta que se esperaría si los agujeros negros se estuvieran fusionando repetidamente en cúmulos estelares densos. Eso hace que el origen en cúmulos sea mucho más convincente de lo que era con los catálogos anteriores».

Una «brecha de masa» para los agujeros negros

El estudio también proporciona la evidencia más sólida hasta la fecha de una «brecha de masa» (mass gap), donde las estrellas extremadamente masivas explotan catastróficamente en vez de colapsar en agujeros negros. Esta teoría, predicha hace tiempo, describe un rango de masas prohibido para los agujeros negros creados directamente a partir de estrellas, en el que se espera que las estrellas muy masivas se desintegren antes de poder formar un agujero negro.

El equipo sitúa este rango en una población de agujeros negros de origen estelar de 45 veces la masa del Sol en adelante.

El estudio se titula «Gravitational waves reveal the pair-instability mass gap and constrain nuclear burning in massive stars». Y se ha publicado en la revista académica Nature Astronomy. (Fuente: IEEC)