El 23 de noviembre de 2023, los científicos del LGO detectaron una minúscula señal subatómica, el eco final de un evento cataclísmico.

En algún lugar, a mitad de camino, a través del cosmos, dos agujeros negros habían chocado con una fuerza increíble.

Este choque épico envió ondas a través del universo, lo suficientemente potentes como para ser captadas aquí en la Tierra, a más de 7000 millones de años luz de distancia.

Este no es un tipo de evento inusual de detectar para el LIGO, pero lo que fue inusual es que ninguno de los dos agujeros negros involucrados en la colisión debería siquiera existir.

Según nuestros modelos actuales, caen en el llamado hueco de masa, un rango de masas de agujeros negros que, por lo que sabemos, son imposibles de crear.

Ahora los científicos intentan desentrañar esta señal tenue e increíblemente intrincada para aprender cómo y por qué se encontraron estos gigantes espaciales épicos y resolver uno de los mayores misterios de la astronomía.

¿De dónde vinieron estos agujeros negros imposibles? Soy Rafael González y estás viendo Astrom. Acompáñame hoy mientras estudiamos lo invisible para revelar lo imposible.

Exploraremos la increíble tecnología que nos permite penetrar en la ciencia de los agujeros negros y descubriremos cómo los agujeros negros, algunos de los fenómenos más extremos del espacio, están llevando una vez más nuestro conocimiento hasta el límite.

Por todo el cosmos, parejas de agujeros negros están atrapadas en una danza gravitatoria. A lo largo de miles de millones de años, sus órbitas se estrechan gradualmente, acercándolos más y más hasta que finalmente colisionan.

En el impacto, los dos agujeros negros se fusionan, pero en el proceso nace algo nuevo, un agujero negro totalmente nuevo, aún más masivo.

Estas colisiones épicas son intensamente poderosas, liberando muchas veces la masa de nuestro sol en ráfagas de energía.

Pero también son algunos de los eventos más difíciles de detectar. Debido a que los agujeros negros juegan bajo sus propias reglas, tienen la costumbre de atrapar la luz y la materia en su interior, lo que significa que no emiten nada que podamos ver o medir.

No por ahora, al menos. Así que supongo que lo primero que debemos preguntarnos es, ¿cómo se ve lo invisible?

Si queremos cazar colisiones de agujeros negros, debemos fijarnos en una de las últimas predicciones, sin comprobar de Einstein para la teoría de la relatividad.

Einstein predijo que cuando algo masivo se acelera a través del universo, debería generar ondas en el espacio tiempo, es decir, en el tejido mismo del propio universo.

Llamamos a estas ondas ondas gravitacionales. La mayoría de las veces estas fluctuaciones serían demasiado pequeñas para medirlas, pero teóricamente algo increíblemente masivo que se acelerase de forma extraordinariamente rápida podría producir ondas gravitacionales lo suficientemente grandes como para ser detectadas en la Tierra, algo así como dos agujeros negros colisionando.

En los estertores finales de su espiral, las parejas binarias de agujeros negros se aproximan a la velocidad de la luz.

Y tal como predijo Einstein en las últimas órbitas, antes de fusionarse durante apenas una fracción de segundo, crean una ráfaga de ondas gravitacionales que pueden ser increíblemente poderosas, desplazándose a través del espacio-tempo en todas direcciones.

Con cada onda, el propio espacio-tempo se contrae y se expande, pero incluso para una fusión de agujeros negros, la cantidad que detectamos es minúscula, milésimas del tamaño de un protón.

Einstein nunca vio su teoría demostrada porque no existía la tecnología para realizar detecciones lo suficientemente precisas como para medir estos cambios.

De hecho, creía que su teoría no se podía poner a prueba y hasta 2015 así fue.

Casi exactamente 60 años después de la muerte de Einstein, los científicos realizaron su primera observación directa de ondas gravitacionales con un detector verdaderamente revolucionario.

Este es el observatorio de ondas gravitacionales por interferometría láser o ligo. Puede que lo recuerdes de mi vídeo anterior que puedes ver aquí, pero esencialmente su trabajo es detectar ondas gravitacionales.

El Ligo consiste en dos detectores situados a 3,000 km de distancia. Eso es aproximadamente un vuelo de 3 horas y media en avión, pero un viaje de menos de una 10 milésima de segundo para una onda gravitacional.

En cada base, un par de tuberías de hormigón de 3,5 m de altura se extienden en ángulo recto hacia la distancia.

Las tuberías son tan largas, más de 4 km cada una, que tienen que ser elevadas del suelo 1 m en cada extremo para mantenerlas planas mientras la tierra se curva bajo ellas.

Al final de cada tubería se asienta un espejo. Cada uno mide 0,3 m de ancho, pesa 40 kg y está pulido hasta formar una esfera perfecta con precisión subnanométrica.

Los espejos están suspendidos por un sistema de péndulos hechos de fibras de silice fundida, aislándolos del más mínimo temblor sísmico.

Realmente esta es una tecnología refinada hasta lo demencial, pero lo que es aún más loco es que funciona.

Al disparar láseres por los brazos del detector del ligo, los científicos pueden medir la distancia exacta entre los dos juegos de espejos.

Cuando una onda gravitacional recorre nuestro planeta, la ondulación del espacio-tiempo que provoca, que por cierto es de aproximadamente una milésima parte del tamaño de un protón a esta escala crea un patrón en la luz láser reflejada que puede ser medido por el software del LIGO y con eso podemos detectar ondas gravitacionales.

No solo podemos usar esto para localizar eventos cataclísmicos que ocurren a miles de millones de años luz de distancia, sino que al analizar las señales, los científicos pueden calcular la escala del evento que las ha producido y pintar una imagen bastante detallada de lo que estuvo involucrado.

Desde hace 10 años, el Ligo y sus colaboradores, principalmente el detector Virgo en Italia y el Kagra en Japón, han estado detectando colisiones de agujeros negros por todo el universo.

La colaboración ha visto más de 300 fusiones y ha revolucionado el campo de los estudios de los agujeros negros.

De hecho, en 2017, sus fundadores ganaron el Premio Nobel de física por demostrar la existencia de las ondas gravitacionales de Einstein.

Pero este no fue el final de los asombrosos descubrimientos del LGO. En 2023, este observatorio realizó otro hallazgo más que volvió a conmocionar a los astrónomos.

Fue una señal que los científicos llamaron GW231123 y lo que mostraba era aparentemente imposible.

La señal G231123 duró aproximadamente una décima de segundo, pero destacó claramente un pequeño pico en las lecturas, unas 20 veces más fuerte que el ruido típico del detector.

La señal era tan fuerte que el equipo de científicos involucrado en el descubrimiento podría haberla descartado como una anomalía hasta que llegó la misma medición del segundo detector al otro lado de los Estados Unidos.

El equipo aún tuvo que comprobar que esto no fuera un pico aleatorio simulando miles de años de datos falsos.

Descubrieron que la probabilidad de que el ruido aleatorio imitara a GW23 1123 era de menos de una vez cada 10,000 años.

En otras palabras, estaban bastante seguros de que era real, así que se pusieron a averiguar qué podía ser exactamente.

Los modelos que mejor explicaban los patrones que vieron en la forma de onda de la señal eran los de agujeros negros con una rotación elevada colisionando, pero incluso entonces la señal era bastante inusual.

Parecía ser solo la segunda mitad de la colisión del agujero negro, lo que se conoce como la fase de amortiguamiento o ring down.

A medida que se formaba el nuevo agujero negro, resonaba como una campana que se amortigua antes de estabilizarse.

Y fueron las ondas gravitacionales liberadas durante esta parte final de la fusión las que el Ligo había detectado.

Teniendo en cuenta todas estas irregularidades, el equipo concluyó que a unos 7000 millones de años luz de distancia, dos agujeros negros se habían fusionado en una poderosa colisión para formar un único agujero negro con una masa gigantesca de entre 182 y 251 veces la de nuestro sol.

Este fue un descubrimiento asombroso. Antes de este evento, el agujero negro más masivo jamás visto tras una fusión había sido de unas 140 masas solares.

En el momento de la colisión fue con diferencia el evento más brillante de todo el cosmos, emitiendo 15 masas solares de energía.

Eso son casi tres octillones o un tres seguido de 48 ceros de julios. Al sol le llevaría unos 200 billones de años emitir tanta energía.

Es más de lo que produjeron todas las demás estrellas del universo juntas en ese momento.

Y lo que es más, toda esa energía se liberó en forma de ondas gravitacionales que se propagaron a través del tejido del espacio-tiempo, viajando miles de millones de años luz hasta que finalmente alcanzaron nuestro planeta.

Con análisis más complejos de la señal, los científicos también pudieron extraer información sobre los dos agujeros negros individuales involucrados en el choque.

Y aquí es donde las cosas se pusieron extrañas. Basándose en la teoría de la relatividad de Einstein, los físicos teóricos han construido una enorme biblioteca de plantillas teóricas de formas de onda.

Cada una simula la señal que produciría una binaria de agujeros negros diferente si fuera escuchada por el LGO.

Por ejemplo, los agujeros negros más pesados se fusionan más rápido, creando una señal más corta y de tono más agudo.

Los científicos comparan cada nueva señal con su vasto catálogo de colisiones teóricas para ver cuál es la que mejor encaja.

Resultó que los dos agujeros negros que produjeron este titánico evento espacial tenían 103 y 137 veces la masa del Sol y giraban unas 400,000 veces más rápido que la Tierra.

Cerca de la velocidad de la luz. Eso es casi tan rápido como es físicamente posible que vayan.

Y esta revelación planteó un gran misterio, porque hasta ahora los físicos no creían que ninguno de estos agujeros negros pudiera existir.

En cierto modo, los agujeros negros son muy simples. Son fenómenos tan puros y extremos que pueden definirse por solo tres características: spin o momento angular.

Masa y carga eléctrica. Durante muchos años, los científicos han predicho un subconjunto específico de agujeros negros que no deberían existir.

Específicamente agujeros negros con masas aproximadamente entre 50 y 130 veces la de nuestro sol.

Estos son más grandes que el agujero negro promedio, pero no son los monstruos supermasivos que viven en el centro de las galaxias.

Esto se llama la brecha o el hueco de masa. Y para entenderlo tenemos que fijarnos en cómo se forman normalmente los agujeros negros.

Cuando las estrellas realmente grandes llegan al final de sus vidas y comienzan a formar hierro en su núcleo, acaban colapsando porque no hay suficiente presión de radiación para evitar que las capas externas caigan bajo la presión gravitatoria.

Estas estrellas explotan entonces como una supernova de tipo dos. Si la estrella original es muy masiva, normalmente más de 20 a 30 veces la masa del sol y el núcleo remanente que queda tras la explosión de la supernova, supera el límite de estrella de neutrones, que está en torno a 2,2 o tres masas solares.

Entonces seguirá colapsando formando un agujero negro. Pero hay estrellas aún más masivas, gigantes, que se formaron en el universo temprano con entre 130 y 250 masas solares.

Estas estrellas hacen una de dos cosas. Algunas terminan en supernovas violentas que despedazan la estrella por completo, sin dejar atrás el núcleo superdenso que se requiere para formar un agujero negro.

Otras, más específicamente las gigantes rojas pulsantes, expulsan capa tras capa, reduciendo su masa. Entonces, la estrella final, mucho más pequeña, colapsaría en una estrella de neutrones o en un agujero negro más pequeño, impidiendo de nuevo la formación de un agujero negro de masa intermedia.

Durante casi 10 años pareció que nuestras predicciones serán correctas, ya que los detectores de ondas gravitacionales como la colaboración Ligo Virgo Kagra no encontraron ningún agujero negro de este tamaño intermedio.

Entonces apareció GW231123 y reveló dos agujeros negros fusionándose, ambos dentro de la brecha de masa.

Nuestra teoría, al menos en algunos casos, estaba equivocada y los científicos han tenido que idear una nueva hipótesis.

Una posibilidad es que crecieran a través de una serie de fusiones de agujeros negros más pequeños, que la colisión que detectó el ligo fuera solo la última de una larga cadena de agujeros negros, devorándose unos a otros y haciéndose más grandes al unir fuerzas.

Este tipo de fusiones suelen impartir grandes impulsos de retroceso por ondas gravitacionales que pueden desvincular el remanente de su sistema anfitrión.

Esto podría superarse en un entorno lo suficientemente denso como un cúmulo estelar globular, donde podría haber muchos agujeros negros que podrían interactuar a menudo con altas velocidades de escape.

Es una idea tentadora y es un proceso que sí creemos que puede ocurrir, pero en este caso hay un problema.

Verás, te dije que los agujeros negros son simples, tienen masa, spin y carga. Bien, cada vez que se fusionan suman sus dos masas, pero también combinan sus espines.

Como los espines están mayoritariamente en direcciones aleatorias, tienden a promediarse y las fusiones raramente producen agujeros negros, hijos, con magnitudes de spin elevadas.

Los dos agujeros negros involucrados en esta colisión, sin embargo, giraban a una velocidad cercana a la de la luz, lo que convierte a GW231123 no solo en el binario de agujeros negros más masivo, sino también en el de rotación más rápida detectada con total confianza mediante ondas gravitacionales hasta la fecha.

Por tanto, algunos investigadores concluyeron que algo distinto a las fusiones previas debe explicar las tremendas masas de los agujeros negros progenitores.

El misterio continuó. Eso fue hasta que los científicos del Centro de Astrofísica Computacional del Instituto Flatón idearon una nueva teoría.

El equipo dirigido por Ore Godlip argumentó que la respuesta podría residir en una de las características más ignoradas de las formaciones de agujeros negros.

Los campos magnéticos de sus estrellas progenitoras crearon simulaciones complejas para una estrella de 250 masas solares y modelaron su vida desde el momento en que comenzó a quemar hidrógeno hasta que se agota y colapsa en una supernova.

La simulación mostró que de hecho, la estrella habría consumido gran parte de su masa como combustible para cuando colapsara, terminando su vida con solo 150 veces la masa del sol.

Situándose ahora justo por encima de ese molesto hueco de masa. Pero el equipo todavía necesitaba averiguar qué sucedió después de que ese objeto de 150 masas solares estallara.

Coincidía con los agujeros negros de gran masa y rotación rápida que vio el LGO.

Al equipo se le ocurrió un segundo conjunto de simulaciones mucho más complejas para estudiar las secuelas de la supernova.

Imaginaron los remanentes de la supernova como un agujero negro situado en el centro de una nube de material estelar sobrante entrelazado con campos magnéticos.

Primero pidieron a su simulación que imaginara qué pasaría si la estrella progenitora no hubiera estado rotando.

Como esperaban, en este caso, la nube de detritos cayó en el agujero negro. A continuación pidieron a la simulación que imaginara que la estrella progenitora estaba girando y girando rápido.

En este escenario, la nube de polvo formó un disco alrededor de un agujero negro en rotación.

A medida que el disco se acrece en el agujero negro, este gira más rápido.

Aquí es donde entran en juego los campos magnéticos. El equipo le dijo a la simulación que predijera el resultado si la nube de polvo estelar que rodeaba al agujero negro recién nacido estuviera llena de campos magnéticos.

De manera similar a lo que vemos que sucede en los núcleos galácticos activos que forman cuásares y blazares, los campos magnéticos en el disco en rotación se retorcieron ejerciendo presión sobre los escombros y, finalmente, en algunos casos, formando chorros relativistas que expulsaron material lejos del disco de acreción.

Reduciendo el material disponible para alimentar al agujero negro. Cuanto más fuertes sean 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 lejos del agujero negro.

También hubo otro descubrimiento genial que encontrar en las simulaciones. El equipo descubrió que las explosiones impulsadas magnéticamente también podrían impartir lo que se llama momento estocástico al agujero negro, resultando probablemente en un impulso natal potencialmente significativo en comparación con el agujero negro de colapso directo no magnetizado.

En otras palabras, cada vez que los campos magnéticos generaban una explosión de materia lejos de la región alrededor del agujero negro, este se aceleraba.

Si ese impulso fuera demasiado poderoso, podría desvincular la pareja binaria, pero la cantidad justa podría hacer girar el agujero negro más rápido sin romper el sistema.

Con la estrella en rotación adecuada y el campo magnético adecuado, el equipo pudo producir un agujero negro de rotación rápida que se sitúa en el hueco de masa, tal como los detectados en la señal GW231123.

Uno de los resultados emocionantes de este trabajo es que sugiere una conexión entre la masa de un agujero negro y la rapidez con la que gira.

Los campos magnéticos fuertes pueden frenar un agujero negro y llevarse parte de la masa estelar, creando agujeros negros más ligeros y que giran más lentamente.

Los campos más débiles permiten agujeros negros más pesados y de rotación más rápida. Desafortunadamente, por ahora, los astrónomos no conocen otros sistemas de agujeros negros en los que esta conexión pueda ser probada observacionalmente.

Sin embargo, observaciones futuras podrían encontrar más sistemas similares que podrían estudiar para confirmar esta conexión.

Y la teoría también predice algo que realmente podríamos ser capaces de ver. Las explosiones desencadenadas por campos magnéticos podrían generar chorros de alta luminosidad y corta duración, similares a los brotes de rayos gama muy energéticos y estos podrían ser observables.

Buscar estas firmas de rayos gama ayudaría a confirmar el proceso de formación de Godlive y su equipo y revelaría cuán comunes podrían ser estos agujeros negros masivos en el universo.

Si se confirma que la conexión entre masa y spin es un patrón fundamental en los agujeros negros, ayudaría a los astrónomos a obtener una comprensión más profunda de la física fundamental de los agujeros negros.

Igual de emocionante es que este resultado demostraría que el hueco de masa se puede llenar, lo que significa que puede haber muchos más agujeros negros de masa intermedia escondidos ahí fuera en la oscuridad, esperando a que nosotros y nuestra próxima generación de instrumentos los encontremos.

La comunidad de los agujeros negros tardará años en desentrañar por completo todas las implicaciones de esta señal.

Y yo, por mi parte, no puedo esperar a ver qué más tiene que enseñarnos.

Un fuerte abrazo a los mecenas que me apoyan en mi misión de divulgar la ciencia.