Una giraba más rápido que la luz y otra contra la corriente del universo: registran los agujeros negros más extraños de la historia

En el otoño de 2024 la colaboración internacional LIGO–Virgo–KAGRA registró dos señales raras — débiles oscilaciones del propio espacio-tiempo, surgidas tras las colisiones de agujeros negros. Estos eventos, denominados GW241011 y GW241110, se convirtieron en algunos de los más inusuales en la historia de las observaciones de ondas gravitacionales. Los distingue no solo su gigantesca energía, sino también el comportamiento extraño de los objetos en rotación: una de las fusiones mostró una velocidad de giro récord de un agujero negro, la otra — una inesperada orientación del espín, opuesta al movimiento orbital del sistema.

Para entender el significado de estos descubrimientos, es importante recordar cómo funciona la observación de ondas gravitacionales. Cuando dos agujeros negros masivos orbitan entre sí y finalmente colisionan, sus campos gravitatorios deforman el tejido del espacio-tiempo, creando ondulaciones — ondas que se propagan a la velocidad de la luz. Estas perturbaciones son increíblemente débiles: cambian las distancias entre objetos por fracciones de un átomo, pero los modernos interferómetros láser — LIGO, Virgo y KAGRA — son capaces de captar estos efectos microscópicos.

Al analizar la forma y la frecuencia de estas ondas, los científicos pueden calcular la masa de cada agujero negro, la distancia al origen e incluso la dirección y la velocidad de su rotación. Así, las ondas gravitacionales dejan de ser una mera señal y se convierten en una fuente completa de datos sobre la física de objetos extremos.

El primer evento, GW241011, ocurrió aproximadamente a 700 millones de años luz de la Tierra y fue la fusión de dos agujeros negros con masas de 17 y 7 masas solares. El más masivo de ellos giraba a una velocidad excepcional — una de las más altas jamás medidas. El segundo, GW241110, registrado el 10 de noviembre de 2024, se produjo a 2,4 mil millones de años luz de nosotros e implicó agujeros negros de 16 y 8 masas solares. En este caso, el objeto principal giraba en sentido opuesto al movimiento orbital de la pareja — un fenómeno extremadamente raro, nunca observado antes.

Estas mediciones fueron posibles gracias a modelos matemáticos que comparan las ondas registradas con miles de millones de plantillas calculadas. De esa coincidencia de formas, los físicos extraen información sobre las propiedades de la fuente — como adivinar, por su eco, qué instrumento exactamente sonó en el Universo.

Ambas observaciones resultaron tan inusuales que los astrofísicos propusieron que los agujeros negros masivos en estos sistemas podrían haberse formado no a partir de estrellas, sino a partir de otros agujeros negros. Esta hipótesis se denomina fusión jerárquica. Describe un proceso en el que, en agrupaciones estelares densas — por ejemplo, en cúmulos globulares o en cúmulos estelares jóvenes — los agujeros negros, tras la primera colisión, permanecen atrapados por la gravedad, colisionan de nuevo y se fusionan repetidamente, formando una segunda generación de objetos supermasivos.

Son ese tipo de escenarios los que señalan dos indicios presentes en ambos eventos: una diferencia de masas significativa (del orden de 2:1) y la inusual orientación del giro de los componentes más masivos. Esto constituyó la primera confirmación directa de que las fusiones jerárquicas realmente ocurren en la naturaleza.

Además, la observación de GW241011 permitió poner a prueba las predicciones fundamentales de la teoría general de la relatividad en condiciones extremas. La señal coincidió completamente con la solución de las ecuaciones de Einstein y con el modelo de Kerr que describe los agujeros negros en rotación. Según esos cálculos, una rotación rápida provoca una ligera deformación del horizonte de sucesos, que deja una huella reconocible en la estructura de la onda. Los datos registrados confirmaron esto con una precisión sin precedentes.

Debido a la considerable diferencia de masas entre los dos objetos fusionados, la onda GW241011 contenía armónicos adicionales de alta frecuencia — similares a los sobretonos de instrumentos musicales. Fenómeno así se había registrado solo en contadas ocasiones en la historia de las observaciones, pero en esta ocasión uno de los armónicos se manifestó con especial claridad, lo que supuso otra confirmación de la validez de la teoría de Einstein.

Los datos son importantes no solo para la astrofísica, sino también para la física de partículas fundamental. Los agujeros negros de rotación rápida, como los registrados, pueden emplearse para comprobar hipótesis sobre la existencia de bosones ultraligeros — partículas teóricas predichas por versiones ampliadas del Modelo Estándar. Si tales partículas existieran, podrían extraer del agujero negro parte de su energía de rotación. Pero las observaciones mostraron que el agujero negro masivo del sistema GW241011 aún gira a una velocidad enorme, lo que descarta un amplio rango de masas posibles para esos bosones hipotéticos.

Los investigadores destacan que estos resultados fueron posibles solo gracias al trabajo conjunto de los tres observatorios de ondas gravitacionales — LIGO, Virgo y KAGRA — que operan de forma sincronizada en distintas partes del planeta. Cada nuevo evento registrado no solo aporta información sobre la estructura del cosmos, sino que también ofrece la oportunidad de poner a prueba las leyes físicas en el límite de su aplicabilidad.