Dos fusiones distintas de agujeros negros arrojan nueva luz sobre la naturaleza de su formación y evolución
Las fusiones, medidas con un mes de diferencia en 2024 por la colaboración LIGO-Virgo-KAGRA, hacen avanzar la comprensión científica de la naturaleza de la formación de agujeros negros y la física fundamental.
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| Ilustración de la fusión de dos agujeros negros con masas diferentes. La gravedad de los agujeros negros curva y distorsiona la luz a su alrededor. Crédito: Carl Knox, OzGrav, Universidad Tecnológica de Swinburne. |
Dos fusiones de agujeros negros cósmicos distantes, medidas con solo un mes de diferencia a finales de 2024, están mejorando la comprensión científica de la naturaleza y la evolución de las colisiones más violentas en el espacio profundo de nuestro universo. Los datos recopilados de estas fusiones también validan, con una precisión sin precedentes, leyes fundamentales de la física predichas hace más de 100 años por Albert Einstein, e impulsan la búsqueda de nuevas partículas elementales aún desconocidas con el potencial de extraer energía de los agujeros negros.
En un nuevo artículo publicado el 28 de octubre en The Astrophysical Journal Letters, la colaboración internacional LIGO-Virgo-KAGRA informa sobre la detección de dos eventos de ondas gravitacionales en octubre y noviembre del año pasado, con rotaciones inusuales de agujeros negros. La primera fusión descrita en este artículo, GW241011 (11 de octubre de 2024), ocurrió a unos 700 millones de años luz de distancia y fue el resultado de la colisión de dos agujeros negros con masas de aproximadamente 20 y 6 veces la del Sol. El mayor de los agujeros negros en GW241011 resultó ser uno de los agujeros negros con rotación más rápida observados hasta la fecha.
Casi un mes después, el 10 de noviembre de 2024, se detectó GW241110 a unos 2400 millones de años luz de distancia. Este evento involucró la fusión de agujeros negros con masas de aproximadamente 17 y 8 veces la del Sol. Si bien la mayoría de los agujeros negros observados giran en la misma dirección que su órbita, se observó que el agujero negro principal de GW241110 giraba en dirección opuesta a la suya, un fenómeno sin precedentes.
«Cada nueva detección aporta información valiosa sobre el universo, recordándonos que cada fusión observada es tanto un descubrimiento astrofísico como un laboratorio invaluable para investigar las leyes fundamentales de la física», afirma Carl-Johan Haster, profesor adjunto de astrofísica en la Universidad de Nevada, Las Vegas (UNLV) y coautor del artículo. «Ya se habían predicho sistemas binarios como estos a partir de observaciones anteriores, pero esta es la primera evidencia directa de su existencia».
Descubriendo las propiedades ocultas de las fusiones de agujeros negros
Las ondas gravitacionales fueron predichas por primera vez por Albert Einstein como parte de su teoría general de la relatividad en 1916, pero su presencia, aunque demostrada en la década de 1970, no fue observada directamente por los científicos hasta hace apenas 10 años, cuando el observatorio LIGO confirmó la detección de las ondas como resultado de la fusión de agujeros negros.
Actualmente, LIGO-Virgo-KAGRA es una red mundial de detectores avanzados de ondas gravitacionales y se encuentra en plena cuarta campaña de observación, O4. Esta campaña comenzó a finales de mayo de 2023 y se prevé que continúe hasta mediados de noviembre de este año. Hasta la fecha, se han observado aproximadamente 300 fusiones de agujeros negros mediante ondas gravitacionales, incluyendo candidatos identificados en la campaña O4.
La detección conjunta de GW241011 y GW241110 pone de relieve el notable progreso de la astronomía de ondas gravitacionales en el descubrimiento de las propiedades de la fusión de agujeros negros. Curiosamente, ambas fusiones detectadas apuntan a la posibilidad de agujeros negros de «segunda generación».
«GW241011 y GW241110 se encuentran entre los eventos más novedosos de los cientos que ha observado la red LIGO-Virgo-KAGRA», afirma Stephen Fairhurst, profesor de la Universidad de Cardiff y portavoz de la Colaboración Científica LIGO. «Dado que ambos eventos presentan un agujero negro significativamente más masivo que el otro y que gira rápidamente, ofrecen indicios prometedores de que estos agujeros negros se formaron a partir de fusiones previas de agujeros negros».
Los científicos señalan ciertas pistas, como la diferencia de tamaño entre los agujeros negros en cada fusión, el mayor era casi el doble de grande que el menor, y la orientación de espín del agujero negro más grande en cada evento. Una explicación natural para estas peculiaridades es que los agujeros negros son el resultado de coalescencias previas. Este proceso, denominado fusión jerárquica, sugiere que estos sistemas se formaron en entornos densos, en regiones como los cúmulos estelares, donde es más probable que los agujeros negros choquen y se fusionen repetidamente.
«Estas dos fusiones de agujeros negros binarios nos ofrecen algunas de las perspectivas más fascinantes hasta la fecha sobre los primeros años de vida de los agujeros negros», afirmó Thomas Callister, coautor y profesor adjunto del Williams College. «Nos enseñan que algunos agujeros negros existen no solo como compañeros aislados, sino probablemente como miembros de una multitud densa y dinámica. De cara al futuro, esperamos que estos eventos y otras observaciones nos permitan comprender cada vez mejor los entornos astrofísicos que albergan estas multitudes».
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| Ilustración de la fusión de un sistema binario de agujeros negros. En casos como GW241011 y GW241110, donde al menos un agujero negro gira en una dirección peculiar con respecto al plano orbital, los giros inusuales ofrecen pistas sobre cómo se formó el sistema. Crédito: Carl Knox, OzGrav, Universidad Tecnológica de Swinburne. |
Implicaciones para la física fundamental
La precisión con la que se midió GW241011 permitió poner a prueba predicciones clave de la teoría de la relatividad general de Einstein en condiciones extremas. Gracias a la claridad con la que se detectó GW241011, se puede comparar con las predicciones de la teoría de Einstein y la solución del matemático Roy Kerr para agujeros negros en rotación (factores que describen la forma, la rotación y otras propiedades de los agujeros negros). La rápida rotación del agujero negro lo deforma ligeramente, dejando una huella característica en las ondas gravitacionales que emite. Al analizar GW241011, el equipo de investigación encontró una excelente concordancia con la solución de Kerr y verificó la predicción de Einstein con una precisión sin precedentes.
Además, debido a que las masas de los agujeros negros individuales difieren significativamente, la señal de ondas gravitacionales contiene el “zumbido” de un armónico superior, similar a los sobretonos de los instrumentos musicales, observado solo por tercera vez en GW241011. Uno de estos armónicos se observó con una claridad excepcional y confirma otra predicción de la teoría de Einstein.
«La intensidad de GW241011, junto con las propiedades extremas de sus componentes de agujero negro, proporciona medios sin precedentes para poner a prueba nuestra comprensión de los agujeros negros», afirma Haster. «Ahora sabemos que los agujeros negros tienen la forma que predijeron Einstein y Kerr, y la relatividad general puede sumar dos logros más a su larga lista de éxitos. Este descubrimiento también significa que somos más sensibles que nunca a cualquier nueva física que pudiera estar más allá de la teoría de Einstein».
Búsqueda avanzada de partículas elementales
Los agujeros negros de rápida rotación, como los observados en este estudio, tienen ahora una nueva aplicación en la física de partículas. Los científicos pueden utilizarlos para comprobar si existen ciertas partículas elementales ligeras hipotéticas y cuál es su masa. Estas partículas, llamadas bosones ultraligeros, son predichas por algunas teorías que van más allá del Modelo Estándar de la física de partículas, que describe y clasifica todas las partículas elementales conocidas. Si existen los bosones ultraligeros, pueden extraer energía rotacional de los agujeros negros. La cantidad de energía extraída y la disminución de la velocidad de rotación de los agujeros negros con el tiempo dependen de la masa de estas partículas, que aún se desconoce.
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| Fusión de agujeros negros binarios. Representación artística de la fusión de dos agujeros negros, uno de los cuales presenta una rotación inusual. Crédito: Carl Knox, OzGrav, Universidad Tecnológica de Swinburne. |
La observación de que el agujero negro masivo en el sistema binario que emitió GW241011 continúa girando rápidamente incluso millones o miles de millones de años después de su formación descarta una amplia gama de masas de bosones ultraligeros.
“Las mejoras previstas en los detectores LIGO, Virgo y KAGRA permitirán realizar más observaciones de sistemas similares, lo que nos permitirá comprender mejor tanto la física fundamental que rige estos sistemas binarios de agujeros negros como los mecanismos astrofísicos que conducen a su formación”, dijo Fairhurst.
Joe Giaime, jefe del sitio del Observatorio LIGO Livingston, señaló que los científicos e ingenieros de LIGO han realizado mejoras en los detectores en los últimos años, lo que ha dado como resultado mediciones precisas de las formas de onda de fusión que permiten el tipo de observaciones sutiles que se necesitaban para GW241011 y GW241110.
“Una mayor sensibilidad no solo permite a LIGO detectar muchas más señales, sino que también permite una comprensión más profunda de las que detectamos”, afirmó.
Detalles de la publicación
“GW241011 y GW241110: Explorando la formación de sistemas binarios y la física fundamental con coalescencias asimétricas de agujeros negros de alto espín” se publicó el 28 de octubre en The Astrophysical Journal Letters.
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Publicado en LIGO el 28 de octubre del 2025, enlace publicación.
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