Astrónomos desvelan el enigma de los agujeros negros "imposibles"

Un equipo de astrofísicos del Instituto Flatiron y sus colaboradores llevó a cabo una serie de simulaciones que revelaron que los campos magnéticos son el factor faltante en la creación de agujeros negros cuya masa se encuentra en un rango que antes se consideraba imposible.

En 2023, los astrónomos presenciaron un evento dramático: dos agujeros negros extraordinariamente masivos colisionaron a aproximadamente 7 mil millones de años luz de distancia. Su inmenso tamaño y rápida rotación desafiaron toda explicación. Según las teorías existentes, agujeros negros de este tipo simplemente no deberían existir.

Los investigadores del Centro de Astrofísica Computacional (CCA) del Instituto Flatiron y otras instituciones asociadas descubrieron cómo estos gigantes cósmicos podrían formarse y eventualmente colisionar. Al rastrear los ciclos de vida de las estrellas que dieron origen a estos agujeros negros, el equipo encontró que los campos magnéticos, que habían sido pasados por alto en modelos anteriores, juegan un papel crucial.

"Nadie había considerado estos sistemas de la manera en que lo hicimos; anteriormente, los astrónomos simplemente tomaron un atajo y negligieron los campos magnéticos", explicó Ore Gottlieb, astrofísico del CCA y autor principal del estudio, que fue 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 de 2023 que desafió la teoría de los agujeros negros

El choque cósmico, conocido como GW231123, fue detectado por los observatorios LIGO-Virgo-KAGRA, que miden las ondas gravitacionales, las ondas en el espacio-tiempo producidas por movimientos celestiales masivos.

En el momento de la detección, los astrónomos no podían entender cómo se habían formado agujeros negros tan enormes y de rápida rotación. Cuando una estrella masiva agota su combustible, típicamente colapsa y explota en una supernova, dejando atrás un agujero negro más pequeño. Sin embargo, las estrellas dentro de un rango de masa específico experimentan un tipo de explosión especialmente violento llamado supernova de inestabilidad de pares, que destruye completamente la estrella.

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

Simulaciones revelan una fuerza oculta en acción

Una posible explicación es que los agujeros negros dentro de este "vacío de masa" se forman indirectamente, a través de la fusión de agujeros negros más pequeños. Pero en el caso de GW231123, esto parecía poco probable. Las fusiones son típicamente caóticas, interrumpiendo la rotación del agujero negro resultante. Sin embargo, los dos agujeros negros involucrados en GW231123 estaban girando cerca de la velocidad de la luz, la más rápida jamás observada, lo que hacía improbable tal escenario.

Para resolver el misterio, Gottlieb y su equipo realizaron una simulación en dos etapas. Primero, modelaron una estrella masiva de 250 veces la masa del sol a lo largo de su vida y muerte. Para el momento en que explotó como supernova, había quemado suficiente combustible para reducirse a aproximadamente 150 masas solares, justo por encima del vacío de masa teórico, dejando atrás un agujero negro.

La siguiente fase introdujo los campos magnéticos en la ecuación. El modelo comenzó con los restos de la supernova: una nube giratoria de escombros estelares que contenía campos magnéticos y un agujero negro recién nacido en el centro. Las teorías anteriores asumían que todo el material restante caería en el agujero negro, pero las nuevas simulaciones pintaron un cuadro diferente.

Cómo el magnetismo redefine el destino de una estrella en colapso

Si una estrella en colapso no está rotando, el material circundante cae directamente en el agujero negro. Pero cuando una estrella gira rápidamente, ese material forma un disco alrededor del agujero negro, alimentándolo con el tiempo y aumentando su rotación. Sin embargo, los campos magnéticos interrumpen este proceso. Su presión puede expulsar parte del material hacia afuera a casi la velocidad de la luz, evitando que caiga dentro.

Esta eyección de materia reduce la cantidad de material que el agujero negro absorbe. Cuanto más fuertes son los campos magnéticos, más masa se expulsa. En casos extremos, hasta la mitad de la masa original de la estrella puede perderse en estos flujos. En las simulaciones del equipo, este mecanismo produjo naturalmente un agujero negro cuya masa caía dentro del rango "prohibido".

"Encontramos 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.

Vinculando la masa y la rotación del agujero negro

Los resultados apuntan a una relación intrigante entre la masa de un agujero negro y cuán rápido gira. Campos magnéticos más fuertes pueden ralentizar la rotación de un agujero negro y eliminar más masa estelar, llevando a agujeros negros más pequeños y lentos. Campos más débiles, por otro lado, permiten que se formen agujeros más pesados y de rotación más rápida. Este patrón podría revelar una ley más amplia que conecte masa y rotación, una relación que futuras observaciones podrían confirmar.

Actualmente, no se conocen otros sistemas de agujeros negros que puedan probar esta conexión, pero los astrónomos esperan que las próximas detecciones descubran más ejemplos como GW231123.

Destellos de luz de los eventos más oscuros

Las simulaciones también predicen que estos procesos magnéticos producen destellos de rayos gamma durante la formación de agujeros negros. Detectar 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 solo explicarían una colisión "imposible", sino que también transformarían la forma en que los científicos comprenden uno de los objetos más extremos y fascinantes del universo.

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