Los agujeros negros más grandes del universo se forman en violentas fusiones

Un equipo de científicos de la Universidad de Cardiff descubrió que los agujeros negros más grandes del universo no se originan directamente de la colapsación de estrellas, sino que se forman a partir de colisiones repetidas entre agujeros negros en cúmulos estelares extremadamente densos. Este hallazgo, basado en el análisis de señales de ondas gravitacionales, sugiere que estos agujeros negros son en realidad "recicladores cósmicos" que se crean a través de violentas reacciones en cadena dentro de estas concentraciones estelares.

La investigación se enfocó en la versión 4.0 del Catálogo de Transitorios de Ondas Gravitacionales LIGO-Virgo-KAGRA (GWTC4), que contiene 153 detecciones confiables de fusiones de agujeros negros. Los investigadores examinaron si los agujeros negros más grandes en el catálogo podrían ser objetos de "segunda generación", formados a partir de colisiones de agujeros negros que ya habían surgido de estrellas moribundas.

Los resultados, publicados en la revista Nature Astronomy, revelaron que los agujeros negros más masivos detectados a través de ondas gravitacionales pertenecen a una clase distinta, con una historia muy diferente a la de los agujeros negros más pequeños.

Las ondas gravitacionales revelan dos poblaciones de agujeros negros

El autor principal, Dr. Fabio Antonini, explicó que "la astronomía de ondas gravitacionales ahora está haciendo más que contar fusiones de agujeros negros; está comenzando a revelar cómo crecen, dónde lo hacen y qué nos dice esto sobre la vida y muerte de las estrellas masivas". Este avance es significativo ya que permite poner a prueba el entendimiento sobre la evolución de estrellas y cúmulos en el universo.

El análisis de las señales de ondas gravitacionales permitió identificar dos grupos distintos: una población de menor masa consistente con el colapso estelar ordinario y otra de mayor masa, cuyos giros se asemejan a los esperados de fusiones jerárquicas en cúmulos estelares densos.

Los investigadores destacaron que el comportamiento de giro de los agujeros negros más pesados fue especialmente revelador. La coautora Dr. Isobel Romero-Shaw comentó: "Lo que más nos sorprendió fue lo claramente que los agujeros negros de alta masa se destacan como una población separada". A diferencia de los sistemas de menor masa, que generalmente giraban lentamente, los sistemas de mayor masa presentaron giros más rápidos, orientados en direcciones aparentemente aleatorias, lo que sugiere que estos agujeros negros habían pasado por fusiones previas en cúmulos densos.

Pruebas para la "brecha de masa" de los agujeros negros

El estudio también fortaleció la evidencia de una misteriosa "brecha de masa" que los astrofísicos han predicho durante décadas. Según esta teoría, las estrellas por encima de un cierto tamaño deberían explotar de manera tan violenta que se destruyen completamente en lugar de colapsar en agujeros negros, creando así un rango prohibido donde no se esperarían agujeros negros formados directamente a partir de estrellas.

Los investigadores identificaron esta transición en agujeros negros con masas alrededor de 45 veces la del Sol. Dr. Antonini afirmó: "En nuestro estudio encontramos evidencia de la tan esperada brecha de masa por inestabilidad de pares, un rango de masas donde no se espera que las estrellas dejen agujeros negros".

El descubrimiento de estos agujeros negros en o cerca de esta brecha plantea preguntas sobre la validez de los modelos actuales de evolución estelar. Dr. Antonini concluyó: "La clave ahora es si estos agujeros negros nos están indicando que nuestros modelos de evolución estelar están equivocados, o si se están formando de otra manera".

Los agujeros negros podrían ayudar a estudiar la física nuclear

Finalmente, los investigadores sugirieron que estos hallazgos podrían ayudar a los científicos a investigar procesos en el interior de estrellas masivas. La transición cerca de la brecha de masa podría ser utilizada para estudiar una importante reacción nuclear relacionada con la quema de helio en los núcleos estelares.

El equipo concluyó que, en el futuro, los datos de ondas gravitacionales podrían ser clave para el estudio de la física nuclear, ya que el límite de masa establecido por la inestabilidad de pares depende de las reacciones nucleares que ocurren en los núcleos de las estrellas masivas.

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