Se ha detectado que dos agujeros negros supermasivos colisionan con solo un mes de diferencia a finales de 2024, remodelando la forma en que los científicos interpretan los eventos cósmicos más extremos del universo. Esta fusión de gemelos no sólo proporciona nuevos conocimientos sobre cómo se forman y evolucionan los agujeros negros, sino que también confirma las predicciones de la teoría general de la relatividad de Albert Einstein con una precisión incomparable. Los hallazgos podrían ayudar a los investigadores a descubrir partículas nuevas y no descubiertas que pueden extraer energía de los agujeros negros.
En un estudio publicado el 28 de octubre Cartas de revistas astrofísicasLa colaboración internacional LIGO-Virgo-KAGRA anunció la detección de dos extraordinarias señales de ondas gravitacionales procedentes de agujeros negros con patrones de giro inusuales registradas en octubre y noviembre del año pasado.
Las ondas en el espacio y el tiempo revelan colisiones cósmicas
Las ondas gravitacionales son pequeñas ondas en el espacio-tiempo que se producen cuando objetos celestes masivos chocan o se fusionan. La señal más fuerte proviene de la colisión de agujeros negros. El primer evento, GW241011 (11 de octubre de 2024), ocurrió a unos 700 millones de años luz de la Tierra cuando dos agujeros negros, aproximadamente 20 y 6 veces la masa de nuestro Sol, se fusionaron. El más grande ha sido identificado como el agujero negro que gira más rápido jamás observado.
Aproximadamente un mes después, se detectó un segundo evento, GW241110 (10 de noviembre de 2024), a unos 2.400 millones de años luz de distancia. Esta fusión involucró agujeros negros de aproximadamente 17 y 8 masas solares. A diferencia de la mayoría de los agujeros negros que giran en la misma dirección en sus órbitas, el agujero negro principal de GW241110 gira en la dirección opuesta, lo que marca la primera observación de tal configuración.
“Cada nueva detección proporciona información importante sobre el universo, recordándonos que cada fusión observada es a la vez un descubrimiento astrofísico pero también un laboratorio invaluable para explorar las leyes fundamentales de la física”, dijo el coautor Karl-Johan Haster, profesor asistente de astrofísica en la Universidad Navigas de Laviegas. “Binarios como este han sido predichos en observaciones anteriores, pero esta es la primera evidencia directa de su existencia”.
Revelando la vida secreta de la fusión de agujeros negros
Einstein predijo por primera vez la existencia de ondas gravitacionales en 1916 como parte de su teoría general de la relatividad. Su existencia se confirmó indirectamente en la década de 1970, pero los científicos no los observaron directamente hasta 2015, cuando el Observatorio LIGO detectó ondas creadas por la fusión de un agujero negro.
Hoy en día, la red LIGO-Virgo-KAGRA sirve como un sistema global de detectores avanzados. El equipo se encuentra actualmente en su cuarta misión de observación, conocida como O4, que comenzó en mayo de 2023 y continuará hasta mediados de noviembre de 2025. Hasta la fecha, se han detectado alrededor de 300 fusiones de agujeros negros, incluidos los candidatos encontrados durante esta misión en curso.
La reciente detección de GW241011 y GW241110 muestra hasta qué punto ha llegado la astronomía de ondas gravitacionales a la hora de desentrañar el funcionamiento interno de los sistemas de agujeros negros. Ambos fenómenos indican que algunos de estos agujeros negros pueden ser de “segunda generación”, formados a partir de restos de fusiones anteriores.
“GW241011 y GW241110 son los más novedosos de los cientos observados por la red Ligo-Virgo-Cagra”, afirmó Stephen Fairhurst, profesor de la Universidad de Cardiff y portavoz de la Colaboración Científica LIGO. “En ambos eventos, un agujero negro que es significativamente más masivo y gira más rápido que el otro, proporciona evidencia tentadora de que estos agujeros negros se formaron a partir de fusiones anteriores de agujeros negros”.
Los investigadores observaron varios patrones intrigantes, incluida la gran diferencia de masa entre el par de agujeros negros (el más grande es casi el doble de masivo que su compañero) y direcciones de giro inusuales. Estas propiedades indican que los agujeros negros se forman mediante un proceso llamado fusiones jerárquicas, donde los agujeros negros en regiones densas chocan varias veces durante su vida.
“Estas dos fusiones binarias de agujeros negros nos proporcionan algunos de los conocimientos más interesantes hasta ahora sobre las vidas pasadas de los agujeros negros”, dijo el coautor y profesor asistente Thomas Callister en Williams College. “Nos enseñan que algunos agujeros negros existen no sólo como compañeros aislados sino como miembros de una multitud densa y dinámica. En el futuro, es de esperar que estos eventos y otras observaciones puedan enseñarnos más sobre el entorno astrofísico que alberga a esta multitud”.
Probando la teoría de Einstein en condiciones extremas
La extraordinaria precisión de la detección de GW241011 permitió a los investigadores probar la teoría general de la relatividad de Einstein en uno de los entornos más extremos jamás medidos. Debido a que este fenómeno fue captado con tanta claridad, los científicos pudieron comparar los resultados con las predicciones hechas por las ecuaciones de Einstein y la descripción de Roy Kerr de los agujeros negros en rotación.
La rápida rotación de GW241011 ha distorsionado ligeramente su forma, dejando una huella única en las ondas gravitacionales. El análisis de los datos mostró una coincidencia excepcional con el modelo de Kerr, confirmando las predicciones de Einstein con una precisión récord.
La diferencia significativa en las masas de los agujeros negros en colisión crea un “armónico superior”, un tipo de armónico que se escucha en un instrumento musical. Esta rara característica, vista con claridad sólo por tercera vez, proporciona otra prueba exitosa de la teoría de Einstein.
“El poder de GW241011, combinado con las propiedades extremas de sus componentes de agujero negro, proporciona una forma sin precedentes de probar nuestra comprensión de los agujeros negros”, dijo Haster. “Ahora sabemos que los agujeros negros tienen la forma que predijeron Einstein y Kerr, y la relatividad general puede añadir dos marcas más a su lista de muchos éxitos. Este descubrimiento significa que somos más sensibles que nunca a cualquier nueva física que se encuentre fuera de la teoría de Einstein”.
Buscando pistas sobre nuevas partículas
Los agujeros negros que giran rápidamente como el observado en este estudio tienen ahora otra aplicación: la física de partículas. Los científicos pueden utilizarlos para comprobar si existen determinadas partículas elementales ligeras y su masa.
Estas partículas, llamadas bosones ultraligeros, son predichas por algunas teorías que van más allá del Modelo Estándar de física de partículas, que describe y clasifica todas las partículas elementales conocidas. Si existen bosones ultraligeros, pueden extraer energía rotacional de los agujeros negros. Cuánta energía se extrae y cuánto se ralentiza la rotación del agujero negro con el tiempo depende de la masa de estas partículas, que aún se desconoce.
La observación de que el enorme agujero negro en el sistema binario que emitió GW241011 continúa girando rápidamente incluso después de millones o miles de millones de años descarta una amplia gama de masas de bosones ultraligeros.
“Las actualizaciones planificadas de los detectores LIGO, Virgo y KAGRA permitirán realizar más observaciones de sistemas similares, lo que nos permitirá comprender mejor tanto la física fundamental que gobierna estos agujeros negros binarios como los procesos astrofísicos que conducen a su formación”.
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 ondas coherentes que permiten las observaciones precisas necesarias para GW241011 y GW241110.
“La sensibilidad mejorada no sólo permite a LIGO detectar muchas más señales, sino también una comprensión más profunda de las que detectamos”, dijo.
