En un gran avance en astrofísica, la colaboración internacional LIGO-Virgo-KAGRA anunció la detección de dos eventos inusuales de fusión de agujeros negros, cada uno de los cuales revela propiedades de giro raras y desconcertantes.
Estas colisiones cósmicas, detectadas en octubre y noviembre de 2024, han dado a los científicos nuevos conocimientos sobre cómo se forman y evolucionan los objetos más extremos del universo, e incluso han permitido a los investigadores probar la teoría de la relatividad general de Einstein con una precisión sin precedentes.
Dos eventos de fusión de agujeros negros recientemente reportados, llamados GW241011 y GW241110, se detectaron con solo un mes de diferencia, pero exhibieron características dramáticamente diferentes.
Pero ambos cuestionan lo que los científicos creían saber sobre los agujeros negros, insinuando que algunos de estos universos gigantes pueden ser agujeros negros de «segunda generación» nacidos de fusiones anteriores.
Primera señal: un agujero negro que gira rápidamente
El primer evento de fusión de agujeros negros, GW241011, atravesó el espacio y el tiempo el 11 de octubre de 2024, viajando casi 700 millones de años luz antes de llegar a la Tierra. Fue creado por la colisión de dos agujeros negros con masas aproximadamente 17 y 7 veces la del Sol.
Lo que distinguió a GW241011 fue la increíble rotación del agujero negro más grande, una de las más rápidas jamás observadas. Esta rotación brindó a los científicos una rara oportunidad de examinar los detalles de las distorsiones del espacio-tiempo.
Utilizando algoritmos avanzados y modelos de formas de onda, los investigadores confirmaron que este evento coincidía perfectamente con las predicciones de Einstein sobre un agujero negro en rotación, descrito matemáticamente por primera vez por Roy Carr en la década de 1960.
La señal también contiene frecuencias «armónicas» más altas (armónicos similares a los de los instrumentos musicales) y es la tercera vez que se detecta una firma de este tipo.
Estos armónicos proporcionaron otra prueba exitosa de la relatividad general, mostrando cómo las ondas gravitacionales codifican información sutil sobre la estructura del agujero negro.
Segundo evento: rotación inversa
Apenas cuatro semanas después, el 10 de noviembre de 2024, los detectores LIGO, Virgo y KAGRA capturaron un segundo evento, GW241110, que ocurrió a una asombrosa distancia de 2.400 millones de años luz.
Esta fusión de agujeros negros, en la que participaron objetos con aproximadamente 16 y 8 masas solares, dio un giro sorprendente. Es decir, el agujero negro más grande estaba girando en dirección opuesta a su órbita.
Estos giros antialineados son extremadamente raros y sugieren que el sistema no se formó a partir de dos estrellas que evolucionaron juntas, sino a partir de agujeros negros que se ensamblan dinámicamente en un entorno abarrotado, como un denso cúmulo estelar.
Por lo tanto, esta rotación inversa puede ser la primera evidencia clara de coalescencia jerárquica. En las fusiones jerárquicas, los agujeros negros producidos en una sola colisión se fusionan nuevamente para formar una nueva generación de agujeros negros más pesados.
Señales de un agujero negro de “segunda generación”
Ambos eventos comparten características importantes que indican este escenario de fusión jerárquica. Cada agujero negro era mucho más masivo que su compañero y presentaba un único agujero negro que giraba a gran velocidad. Este patrón sugiere una historia compleja, que incluye conflictos previos.
Los astrofísicos creen que estos sistemas probablemente se formaron cerca de espacios densos en el universo, como cúmulos globulares o centros galácticos, donde los agujeros negros chocan varias veces debido a interacciones gravitacionales repetidas.
En un entorno tan bullicioso, los agujeros negros no permanecen aislados, sino que se fusionan, giran y se vuelven más pesados con cada generación.
Estos descubrimientos marcan un punto de inflexión en la investigación de los agujeros negros. De las casi 300 fusiones detectadas desde que comenzó la astronomía de ondas gravitacionales, GW241011 y GW241110 se encuentran entre las más inusuales, lo que proporciona una fuerte evidencia de que los eventos más violentos en el universo probablemente sean colisiones recicladas.
Un triunfo de la colaboración global
Esta detección fue posible gracias a la colaboración entre el Observatorio LIGO en los Estados Unidos, el Observatorio Virgo en Italia y el Observatorio KAGRA en Japón. Juntos forman una red global que puede detectar distorsiones del espacio-tiempo más pequeñas que un protón.
Ahora que se acerca el final de su cuarta observación (O4), que comenzó en mayo de 2023, la colaboración LIGO-Virgo-KAGRA continúa superando los límites de la sensibilidad de detección.
Los investigadores ya han identificado cientos de posibles fusiones de agujeros negros en espera de ser probadas, cada una de las cuales ofrece nuevas ventanas a la dinámica de la gravedad, la materia y la energía en las condiciones más extremas imaginables.
Buscar nuevas partículas
Las implicaciones de estos descubrimientos van mucho más allá de la astrofísica. Los agujeros negros que giran rápidamente como GW241011 se utilizan actualmente como laboratorios naturales para explorar la posible existencia de bosones ultraligeros. Los bosones ultraligeros son partículas hipotéticas que podrían ayudar a explicar la materia oscura y llenar vacíos en el modelo estándar de física de partículas.
Si estas partículas existieran, gradualmente desviarían energía del agujero negro en rotación, haciendo que girara más lentamente con el tiempo. Sin embargo, la observación de que el agujero negro de GW241011 sigue girando excepcionalmente rápido descarta efectivamente una amplia gama de masas bosónicas ultraligeras.
El futuro de la ciencia de los agujeros negros
La detección de estos gemelos presagia el comienzo de una nueva era en la astronomía de ondas gravitacionales. Cada vez que se observa la fusión de un agujero negro, los científicos están retirando otra capa más del poder más misterioso del universo.
Los datos de GW241011 y GW241110 ayudarán a los investigadores a perfeccionar los modelos de cómo mueren las estrellas masivas, cómo evolucionan las galaxias y cómo se comporta la gravedad en condiciones que llevan las ecuaciones de Einstein al límite.
Mientras la colaboración LIGO-Virgo-KAGRA se prepara para futuras actualizaciones y observaciones, los astrónomos esperan descubrir fenómenos aún más raros y complejos.
En última instancia, cada nueva detección traduce la física abstracta en una realidad observable. La historia de las fusiones de agujeros negros ya no es teórica. Es una historia cósmica en desarrollo que continúa remodelando nuestra comprensión del espacio, el tiempo y los orígenes del universo mismo.
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