'Imposible' fusión de dos agujeros negros masivos es explicada

En 2023, astrónomos detectaron una enorme colisión. Dos agujeros negros masivos, que se creían imposibles, habían chocado a una distancia estimada de 7 mil millones de años luz. Las enormes masas y giros extremos de estos agujeros negros desconcertaron a los científicos, ya que se pensaba que agujeros negros de este tipo no deberían existir.

Recientemente, investigadores del Centro de Astrofísica Computacional del Flatiron Institute y sus colegas descubrieron cómo estos agujeros negros pudieron formarse y colisionar. A través de simulaciones exhaustivas que siguieron el ciclo de vida de las estrellas progenitoras hasta su muerte, encontraron la pieza que estudios anteriores habían pasado por alto: los campos magnéticos.

"Nadie había considerado estos sistemas de la manera en que lo hicimos; anteriormente, los astrónomos tomaron un atajo y pasaron por alto los campos magnéticos", afirmó Ore Gottlieb, astrofísico del CCA y autor principal del nuevo estudio publicado en The Astrophysical Journal Letters. "Pero una vez que se consideran los campos magnéticos, se puede explicar el origen de este evento único".

La colisión detectada en 2023, conocida como GW231123, fue observada por la colaboración LIGO-Virgo-KAGRA utilizando detectores que miden ondas gravitacionales, las ondas en el espacio-tiempo causadas por el movimiento de objetos masivos.

En ese momento, los astrónomos no podían imaginar cómo existían agujeros negros tan grandes y de rápido giro. Cuando las estrellas masivas llegan al final de su vida, muchas colapsan y explotan como supernovas, dejando atrás un agujero negro. Sin embargo, si la estrella cae dentro de un rango de masa específico, ocurre un tipo especial de supernova. Esta explosión, llamada supernova de inestabilidad de pares, es tan violenta que la estrella es aniquilada, dejando nada atrás.

Gottlieb explicó que, como resultado de estas supernovas, no se espera que se formen agujeros negros entre aproximadamente 70 y 140 veces la masa del sol. "Por lo tanto, fue desconcertante ver agujeros negros con masas dentro de este vacío".

Los agujeros negros en este vacío de masa pueden formarse indirectamente, cuando dos agujeros negros se fusionan para formar un agujero negro más grande, pero en el caso de GW231123, los científicos pensaron que esto era improbable. La fusión de agujeros negros es un evento tremendamente caótico que a menudo interrumpe el giro del agujero negro resultante. Los agujeros negros de GW231123 fueron los giradores más rápidos vistos por LIGO, arrastrando el espacio-tiempo a su alrededor a casi la velocidad de la luz. Dos agujeros negros de su tamaño y giro son increíblemente poco probables, por lo que los astrónomos pensaron que debía haber algo más en juego.

Gottlieb y sus colaboradores investigaron realizando dos etapas de simulaciones computacionales. Primero simularon una estrella gigante 250 veces la masa del sol a través de la etapa principal de su vida, desde que comienza a quemar hidrógeno hasta que se queda sin él y colapsa en una supernova. Para cuando una estrella tan masiva llegó a la etapa de supernova, había quemado suficiente combustible para reducir su masa a solo 150 veces la masa del sol, haciéndola justo por encima del vacío de masa y lo suficientemente grande como para dejar un agujero negro detrás.

Un segundo conjunto de simulaciones más complejas, que tomaron en cuenta los campos magnéticos, se ocupó de las secuelas de la supernova. El modelo comenzó con los restos de la supernova, una nube de material estelar sobrante impregnada de campos magnéticos y un agujero negro en su centro. Anteriormente, los astrónomos asumieron que toda la masa de la nube caería en el agujero negro recién nacido, haciendo que la masa final del agujero negro coincidiera con la de la estrella masiva. Pero las simulaciones mostraron algo diferente.

Después de que una estrella no rotativa colapsa para formar un agujero negro, la nube de detritos sobrantes cae rápidamente en el agujero negro. Sin embargo, si la estrella inicial giraba rápidamente, esta nube forma un disco giratorio que hace que el agujero negro gire cada vez más rápido a medida que el material cae en su abismo. Si hay campos magnéticos presentes, ejercen presión sobre el disco de escombros. Esta presión es lo suficientemente fuerte como para expulsar parte del material lejos del agujero negro a casi la velocidad de la luz.

Estos flujos finalmente reducen la cantidad de material en el disco que eventualmente alimenta al agujero negro. Cuanto más fuertes son los campos magnéticos, mayor es este efecto. En casos extremos con campos magnéticos muy fuertes, hasta la mitad de la masa original de la estrella puede ser expulsada a través de los desechos del disco del agujero negro. En el caso de las simulaciones, los campos magnéticos finalmente crearon un agujero negro final en el vacío 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", concluyó Gottlieb.