El misterio de la fusión «imposible» de dos agujeros negros encuentra una nueva explicación
Una simulación pionera revela que la rotación y los campos magnéticos de estrellas colosales pueden dar origen a agujeros negros dentro del «vacío prohibido» de masas. El hallazgo resuelve un enigma que desafió durante años las leyes de la física estelar.
Por Enrique Coperías
Instantánea de una simulación computacional que recrea cómo nace y evoluciona un agujero negro en el cosmos. Cortesía: Ore Gottlieb / Simons Foundation.
El 23 de noviembre de 2023, los detectores LIGO, Virgo y KAGRA registraron una vibración en el tejido del espacio-tiempo que dejó atónitos a los astrofísicos. Las ondas gravitacionales, bautizadas GW231123, provenían de la fusión de dos agujeros negros extraordinariamente masivos: uno de unos 130 soles y otro de unos cien, que giraban a velocidades cercanas al límite impuesto por la relatividad.
El choque dio lugar a un agujero negro final de unas 225 masas solares.
Aquel evento era una rareza cósmica. Según las teorías aceptadas, en esa franja de masas —entre unas 70 y 140 veces la del Sol— no deberían existir agujeros negros. En ese rango de masas, las estrellas terminan su vida con una explosión tan extrema —una supernova de inestabilidad de pares— que se destruyen por completo, sin dejar ni una estrella de neutrones ni un agujero negro. ¿Cómo era posible, entonces, que el universo hubiera producido dos de esos monstruos prohibidos, y además con giros tan rápidos?
Un nuevo tipo de colapso estelar: el colapso directo del horizonte
El estudio, publicado esta semana en The Astrophysical Journal Letters, propone una respuesta audaz. El equipo liderado por Ore Gottlieb, del Instituto Flatiron de Nueva York y del MIT, ha utilizado simulaciones tridimensionales de magnetohidrodinámica relativista —una de las herramientas más avanzadas de la astrofísica computacional— para seguir paso a paso el destino de una estrella supermasiva en rotación desde su vida como núcleo de helio hasta su hundimiento definitivo en un agujero negro.
🗣 «Nadie había considerado estos sistemas de la forma en que nosotros lo hicimos; antes, los astrónomos simplemente tomaban un atajo y pasaban por alto los campos magnéticos —explica Gottlieb en un comunicado de la Simons Foundation. Y añade—: Pero una vez que tienes en cuenta los campos magnéticos, puedes explicar el origen de este evento tan singular».
El resultado apunta a un mecanismo de formación distinto del de las supernovas convencionales: el llamado colapso directo del horizonte. En estas condiciones extremas, el núcleo estelar se hunde sobre sí mismo sin explosión previa, creando así un agujero negro en cuestión de segundos.
Sin embargo, el trabajo de Gottlieby sus colegas demuestra que, si la estrella rota y posee campos magnéticos moderados, el proceso no es tan silencioso como se creía: el colapso puede generar potentes chorros y vientos que expulsan parte de la masa de la estrella y frenan el crecimiento del agujero negro, situándolo dentro del vacío de masas prohibido que hasta ahora parecía inaccesible.
«Como resultado de esas supernovas, no esperamos que se formen agujeros negros con masas entre aproximadamente 70 y 140 veces la del Sol —recuerda el astrofísico—. Por eso resultaba tan desconcertante ver agujeros negros con masas dentro de esa franja prohibida».
🗣 «Por primera vez hemos podido seguir en una simulación completa cómo una estrella tan masiva colapsa, forma un agujero negro y cómo los campos magnéticos y la rotación determinan su masa y su giro final —comenta Gottlieb—. El modelo reproduce con precisión las propiedades observadas en GW231123».
Una estrella de 250 soles y su destino final
El punto de partida de las simulaciones fue una estrella de helio con una masa inicial de unas 250 veces la del Sol, en un entorno con baja cantidad de metales, similar al de las primeras generaciones de estrellas del universo. En el código numérico, la estrella evoluciona hasta agotar su combustible, pierde parte de su masa por vientos estelares y se queda con un núcleo de unos 150 soles cuando comienza el colapso.
En unos pocos segundos, la materia se hunde a velocidades relativistas y nace un agujero negro de unas cuarenta masas solares en el centro. A partir de ahí, todo depende del magnetismo:
1️⃣ Si los campos son débiles, el agujero negro se traga casi todo el material restante y crece hasta más de 130 masas solares, girando casi a la velocidad de la luz.
2️⃣ Si los campos son intensos, las líneas de fuerza actúan como freno: extraen energía de rotación del agujero negro y lanzan poderosos chorros relativistas, similares a los de los estallidos de rayos gamma más luminosos del cosmos. En este caso, el agujero negro final es más ligero —entre sesenta y ochenta masas solares— y con un giro más lento.
Entre ambos extremos hay una situación intermedia, con un magnetismo moderado, en la que el agujero negro alcanza unas cien masas solares y conserva una alta velocidad de rotación. Justamente esas cifras coinciden con las deducidas para los dos componentes de GW231123. El modelo sugiere además que cada estrella binaria podría tener campos distintos: una más magnetizada produciría un agujero negro más liviano y con menor giro; la otra, con campos débiles, originaría un agujero negro más masivo y rápido. La combinación final encaja sorprendentemente bien con la observación.
Proceso de formación de un agujero negro dentro del “vacío de masas”. La simulación ilustra cómo los vientos estelares y los campos magnéticos regulan la masa y el giro del agujero negro final. Cortesía: Lucy Reading-Ikkanda / Simons Foundation.
Giro, magnetismo y la relación entre masa y rotación
Uno de los hallazgos clave del trabajo es la relación entre la masa y el giro de los agujeros negros nacidos en este tipo de colapsos. En las simulaciones, cuanto más fuerte es el campo magnético de la estrella, más masa se expulsa y menos energía rotacional retiene el agujero negro. Los campos magnéticos débiles permiten el crecimiento sin freno y generan agujeros negros pesados y de alta rotación.
🗣 «Descubrimos que la presencia de rotación y de campos magnéticos puede cambiar de forma fundamental la evolución de la estrella tras su colapso, haciendo que la masa del agujero negro final sea potencialmente mucho menor que la masa total de la estrella colapsante», señala Gottlieb.
El investigador añade que los resultados sugieren una conexión entre la masa de un agujero negro y la velocidad con la que gira: «Los campos magnéticos intensos pueden frenar un agujero negro y arrastrar parte de la masa estelar, creando agujeros negros más ligeros y con un giro más lento. Los campos más débiles permiten agujeros negros más pesados y de rotación más rápida. Esto sugiere que los agujeros negros podrían seguir un patrón que relaciona su masa y su giro.”
Este patrón, sostienen Gottlieb y su equipo, podría explicar la diversidad observada en la población de agujeros negros detectados por el observatorio de detección de ondas gravitatorias LIGO y el interferómetro Virgo: algunos pesados pero lentos, otros más ligeros y muy rápidos.
El magnetismo además podría resolver otro enigma: la desalineación entre los ejes de rotación de los dos agujeros negros de GW231123. Las simulaciones muestran que los chorros y vientos estelares expulsados durante el colapso pueden impartir un empujón gravitacional (kick) de decenas o cientos de kilómetros por segundo, inclinando el eje de giro del agujero negro recién nacido con respecto a la órbita binaria.
Esos pequeños golpes cósmicos bastarían para explicar las orientaciones caóticas observadas en las ondas gravitacionales.
Estallidos de rayos gamma: huellas observables del colapso
Las simulaciones también predicen un fenómeno espectacular: los chorros lanzados por estos colapsos directos podrían producir breves y potentísimos estallidos de rayos gamma, con energías comparables a las de las explosiones más intensas jamás observadas.
La duración de estos estallidos sería de apenas unos segundos, lo que los haría casi indistinguibles de los estallidos de rayos gamma clásicos, pero procedentes de estrellas aún más masivas y posiblemente del universo primitivo.
🗣 «Si estos eventos ocurren en galaxias con muy baja metalicidad, podrían haber sido comunes en las primeras etapas cósmicas, antes de que el gas interestelar se enriqueciera con elementos pesados —señala Brian Metzger, coautor del trabajo. Y continúa—: Cada colapso estelar de este tipo podría ir acompañado de un estallido de rayos gamma extremadamente brillante y una supernova inusualmente masiva».
De la simulación a la observación, una nueva ventana al cosmos
El estudio de Gottlieb y sus colaboradores combina distintas etapas de modelado. Primero, con el código de evolución estelar MESA, siguieron la vida del núcleo de helio hasta el momento del colapso. Luego emplearon el programa relativista GR1D para simular el hundimiento inicial y la formación del agujero negro.
Finalmente, echaron mano de H-AMR, un sofisticado código magnetohidrodinámico tridimensional que reproduce la evolución del disco de acreción y los chorros relativistas. Cada simulación requirió miles de horas de cálculo en superordenadores del Departamento de Energía de Estados Unidos y del Flatiron Institute.
El resultado final es una película completa del nacimiento de un agujero negro dentro del hueco prohibido por la teoría. Los modelos predicen, además, que el sistema binario resultante puede sobrevivir al colapso gracias a que las eyecciones de materia no son tan violentas como en una supernova tradicional. Con el tiempo, la radiación gravitacional hace que ambos agujeros negros se acerquen y acaben fusionándose, tal como captaron los detectores en 2023.
Simulación 3D del colapso de una estrella gigante con un campo magnético débil. Los vientos del disco de acreción liberan buena parte de la materia estelar antes de que el agujero negro crezca, y un chorro final expulsa lo que queda, frenando su rotación. Vídeo: Ore Gottlieb / Simons Foundation.
Implicaciones cósmicas y futuras búsquedas
Si este mecanismo se confirma, podría redefinir el mapa de los agujeros negros estelares. Hasta ahora, el vacío de masas entre 70 y 140 soles se interpretaba como una frontera infranqueable. Pero el colapso directo magnetizado abre una vía natural para poblar esa región con agujeros negros de alto giro, sin necesidad de recurrir a fusiones jerárquicas en cúmulos estelares ni a modelos exóticos.
El hallazgo también sugiere que las estrellas más masivas, formadas en entornos pobres en metales, podrían ser las progenitoras de los agujeros negros más extremos detectados hasta ahora. Y apunta a que las ondas gravitacionales no solo revelan fusiones, sino también la física íntima de las últimas etapas de la vida de las estrellas más colosales.
Los autores reconocen que el modelo aún debe someterse a nuevas pruebas: otras masas iniciales, rotaciones distintas y configuraciones binarias más realistas. Pero su coincidencia con las propiedades de GW231123 —y también con el anterior caso de GW190521, detectado en 2019— es tan estrecha que muchos investigadores la ven como una explicación convincente.
«Durante años pensábamos que los agujeros negros en esa franja de masas eran imposibles —resume Gottlieb. Y concluye—: Ahora sabemos que el universo solo necesitaba un poco de rotación y magnetismo para demostrarnos lo contrario». ⏹
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Información facilitada por la Simons Foundation
Fuente: Ore Gottlieb et al. Spinning into the Gap: Direct-horizon Collapse as the Origin of GW231123 from End-to-end General-relativistic Magnetohydrodynamic Simulations. The Astrophysical Journal Letters (2025). DOI: 10.3847/2041-8213/ae0d81
