Los científicos han llegado al fondo del misterio de una fusión “imposible” entre agujeros negros que se detectó a través de ondas en el espacio-tiempo llamadas ondas gravitacionales allá por 2023.
La colisión se produjo a unos 7.000 millones de años luz de distancia y supuso un choque de dos agujeros negros que parecía prohibido, debido a sus enormes masas y a la increíble velocidad a la que giraban.
Estos agujeros negros, con masas de 100 y 140 veces la del Sol y que giran casi a la velocidad de la luz, no deberían existir según las teorías actuales sobre cómo se forman los “agujeros negros de masa estelar” cuando estrellas masivas colapsan y explotan como supernovas.
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Investigadores del Centro de Astrofísica Computacional (CCA) del Instituto Flatiron en Nueva York abordaron este rompecabezas realizando simulaciones que recrearon la evolución de este sistema a través de la vida de las estrellas progenitoras, hasta su muerte como supernova. Esto reveló un factor simple que no se había considerado adecuadamente en el proceso antes: los campos magnéticos.
“Nadie ha considerado estos sistemas como lo hicimos nosotros; anteriormente, los astrónomos simplemente tomaban un atajo y descuidaban los campos magnéticos”, dijo en un comunicado el líder del equipo Ore Gottlieb, astrofísico del CCA. “Pero una vez que se consideran los campos magnéticos, se pueden explicar los orígenes de este evento único”.
¿No es tan imposible?
Las ondas gravitacionales de esta colisión de agujeros negros “prohibidos” fueron “escuchadas” por los detectores terrestres LIGO, Virgo y KAGRA el 23 de noviembre de 2023, como informó Space.com en julio de este año. Al analizar esta señal, denominada GW231123, los astrónomos quedaron inmediatamente desconcertados por la existencia de agujeros negros tan masivos y que giran rápidamente.
Esto se debe a que las estrellas que podrían morir para dejar atrás agujeros negros de masa estelar tan masivos como estos deberían terminar sus vidas con un tipo específico de supernova llamada “supernova de inestabilidad de pares” que es tan violenta que no queda nada, ni siquiera un agujero negro. “Como resultado de estas supernovas, no esperamos que se formen agujeros negros entre aproximadamente 70 y 140 veces la masa del sol”, explicó Gottlieb. “Por lo tanto, fue desconcertante ver agujeros negros con masas dentro de esta brecha”.
Los agujeros negros pueden existir dentro de esa brecha de masa como resultado de una fusión previa entre agujeros negros, pero los investigadores descartaron esto para los agujeros negros involucrados en la colisión que envió la señal GW231123 a través del espacio. Esto se debe a que las fusiones perturban el giro del agujero negro “hijo” creado, pero los dos agujeros negros involucrados en esta fusión todavía giraban cerca de la velocidad de la luz, a la velocidad máxima a la que los agujeros negros pueden girar. Por lo tanto, los investigadores concluyeron que algo más que fusiones anteriores debe explicar las enormes masas de los agujeros negros progenitores.
Gottlieb y sus colegas comenzaron a investigar cuál podría ser este mecanismo simulando primero una estrella gigante con una masa de alrededor de 250 veces la del Sol, a la que siguieron a lo largo de su evolución hasta su muerte como supernova. Descubrieron que, en esta etapa final, la estrella había quemado tanto combustible que había “adelgazado” a 150 masas solares. Eso lo dejó lo suficientemente pequeño como para dejar un agujero negro después de convertirse en supernova.
Luego, el equipo realizó otra simulación más compleja, teniendo en cuenta los campos magnéticos que desempeñan un papel después de la supernova. Este segundo modelo comenzó con restos de supernova en forma de una nube de material estelar sobrante entrelazado con campos magnéticos. En el centro de estos restos había un agujero negro. Antes de esta investigación, los científicos suponían que toda la masa de este material remanente sería consumida por el agujero negro recién nacido. Como consecuencia, la masa de ese agujero negro crecería hasta igualar la masa de la estrella progenitora masiva. Sin embargo, las simulaciones del equipo mostraron que sucedía algo diferente.
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Lo que Gottlieb y sus colegas observaron en cambio fue que, después del colapso de una estrella que no gira para formar un agujero negro, el material sobrante cae rápidamente en el agujero negro. Pero si la estrella progenitora gira rápidamente, estos restos estelares forman una nube aplanada y giratoria alrededor del agujero negro recién nacido que hace que gire cada vez más rápido a medida que se le suministra más y más material. En presencia de campos magnéticos, el disco de escombros experimenta una presión lo suficientemente fuerte como para expulsar parte de la materia sobrante del agujero negro a casi la velocidad de la luz.
Esta salida de material reduce la masa del disco que alimenta el agujero negro, y cuanto más fuertes son los campos magnéticos involucrados, más rápidamente este plato de material estelar se aleja del agujero negro. Si los campos magnéticos son lo suficientemente potentes, la mitad de la masa inicial de la estrella puede desaparecer. El resultado neto: un campo magnético débil da como resultado una menor privación de materia y un agujero negro final que se encuentra dentro de la brecha de masa.
“Descubrimos que la presencia de rotación y campos magnéticos puede cambiar fundamentalmente la evolución posterior al colapso de la estrella, haciendo que la masa del agujero negro sea potencialmente significativamente menor que la masa total de la estrella en colapso”, dijo Gottlieb.
Más allá de ofrecer una solución al enigma de esta fusión “imposible”, las simulaciones del equipo sugieren una conexión entre la masa de un agujero negro y la velocidad a la que gira a través de la fuerza de los campos magnéticos que lo rodean. Los campos magnéticos fuertes pueden dar lugar a agujeros negros más ligeros y de giro más lento, mientras que los campos magnéticos más débiles podrían dar lugar a agujeros negros más masivos y de giro más rápido.
La investigación también puede sugerir una forma para que los astrónomos prueben esta conexión. El equipo descubrió que la creación de estos agujeros negros con brechas de masa está asociada con una explosión de rayos gamma, que son detectables. Si se logra tal detección, los científicos habrán dado un gran paso adelante en nuestra comprensión de los agujeros negros.
La investigación del equipo fue publicada el miércoles (12 de noviembre) en The Astrophysical Journal Letters.