Una extensa serie de simulaciones por computadora dirigidas por astrofísicos del Instituto Flatiron y sus colaboradores ha revelado que los campos magnéticos son el factor faltante detrás de la creación de agujeros negros cuyas masas alguna vez se consideraron imposibles.
En 2023, los astrónomos presenciaron un acontecimiento dramático: dos agujeros negros extraordinariamente masivos colisionaron a unos 7 mil millones de años luz de distancia. Su enorme tamaño y su rápido giro desafían toda explicación. Según las teorías existentes, estos agujeros negros no deberían existir.
Investigadores del Centro de Astrofísica Computacional (CCA) del Instituto Flatiron e instituciones asociadas ahora han descubierto cómo estos gigantes cósmicos pueden formarse y eventualmente colisionar. Al rastrear el ciclo de vida de las estrellas que dieron origen a estos agujeros negros, el equipo descubrió que los campos magnéticos, ignorados durante mucho tiempo en modelos anteriores, desempeñan un papel crucial.
“Nadie consideraba estos sistemas como lo hicimos nosotros; antes, los astrónomos simplemente tomaban un atajo y descuidaban los campos magnéticos”, explica Ore Gottlieb, astrofísico del CCA y autor principal del estudio, que aparece en Cartas de diarios astrofísicos. “Pero una vez que se consideran los campos magnéticos, se puede explicar el origen de este fenómeno único”.
La colisión de 2023 que desafió la teoría del agujero negro
El accidente cósmico, ahora conocido como GW231123, fue detectado por el observatorio LIGO-Virgo-KAGRA, que mide ondas gravitacionales: ondulaciones en el espacio-tiempo producidas por movimientos cósmicos masivos.
En el momento de la detección, los astrónomos no entendían cómo se formó un agujero negro tan masivo y que gira rápidamente. Cuando una estrella masiva agota su combustible, normalmente colapsa en una supernova y explota, dejando tras de sí un pequeño agujero negro. Sin embargo, las estrellas dentro de un cierto rango de masa experimentan un tipo de explosión particularmente violenta llamada supernova de inestabilidad de pares, que destruye la estrella por completo.
“Como resultado de estas supernovas, no esperamos que se formen agujeros negros de entre 70 y 140 veces la masa del Sol”, dijo Gottlieb. “Por eso fue desconcertante ver un agujero negro con masa dentro de esta brecha”.
La simulación revela un poder oculto en acción
Una posible explicación es que los agujeros negros se forman indirectamente dentro de estos “huecos de masa”, mediante la fusión de agujeros negros más pequeños. Pero en el caso de GW231123, eso parecía poco probable. Las uniones suelen estar desordenadas, lo que altera la rotación del agujero negro. Sin embargo, los dos agujeros negros implicados en GW231123 giraban a una velocidad cercana a la de la luz (la más rápida jamás observada), lo que hacía imposible tal escenario.
Para resolver el misterio, Gottlieb y su equipo realizaron una simulación en dos etapas. Primero, modelaron la vida y muerte de una estrella masiva 250 veces la masa del Sol. Cuando explota como supernova, quema suficiente combustible para reducirse a unas 150 masas solares, justo por encima de la brecha de masa teórica, dejando tras de sí un agujero negro.
En la siguiente etapa se introduce un campo magnético en la película. El modelo comenzó con el remanente de supernova: una nube arremolinada de desechos estelares que contiene un campo magnético y un agujero negro naciente en el centro. Las teorías anteriores asumían que todo el material restante caería en un agujero negro, pero las nuevas simulaciones pintan un panorama diferente.
Cómo el magnetismo cambia el destino de una estrella en colapso
Si una estrella en colapso no gira, el material circundante cae directamente al agujero negro. Pero cuando una estrella gira rápidamente, ese material forma un disco alrededor del agujero negro, alimentándolo con el tiempo y aumentando su giro. Sin embargo, los campos magnéticos interrumpen este proceso. Su presión puede expulsar parte del material a la velocidad de la luz, evitando que caiga hacia adentro.
Esta emisión de materia reduce la cantidad de materia absorbida por el agujero negro. Cuanto más fuerte es el campo magnético, más masa se libera. En casos extremos, en este flujo se puede perder hasta la mitad de la masa de la estrella madre. En las simulaciones del equipo, este proceso produjo naturalmente un agujero negro cuya masa alguna vez estuvo dentro del rango “prohibido”.
“Descubrimos que la presencia de rotación y campos magnéticos puede cambiar fundamentalmente la evolución de la estrella después del colapso, haciendo que la masa del agujero negro sea significativamente menor que la masa total de la estrella en colapso”, dijo Gottlieb.
Vinculando la masa y el giro de un agujero negro
Los resultados indican una curiosa relación entre la masa de un agujero negro y la velocidad a la que gira. Los campos magnéticos más fuertes pueden ralentizar la rotación de un agujero negro y eliminar más masa estelar, lo que da lugar a agujeros negros más pequeños y lentos. Por otro lado, los campos débiles permiten la formación de campos más pesados y que giran más rápido. Este patrón puede revelar una ley más amplia que conecta la masa y la rotación, una relación que futuras observaciones pueden confirmar.
Actualmente, ningún otro sistema de agujeros negros conocido puede probar esta conexión, pero los astrónomos esperan que las próximas detecciones descubran más ejemplos como GW231123.
Un estallido de luz del evento más oscuro
Las simulaciones también predicen que estos procesos magnéticos producen estallidos de rayos gamma durante la formación de los agujeros negros. La detección de tales destellos de rayos gamma podría ayudar a confirmar la teoría y mostrar cuán comunes son realmente estos agujeros negros masivos.
Si se verifican, estos hallazgos no sólo explicarían una colisión “imposible”, sino que también cambiarían la forma en que los científicos entienden uno de los objetos más extremos y fascinantes del universo.
