LIGO, Virgo y KAGRA detectan agujeros negros de segunda generación: así se descubrieron los hijos de fusiones cósmicas anteriores
Los detectores de ondas gravitacionales LIGO-Virgo-KAGRA han captado dos colisiones tan extrañas que apuntan a un fenómeno inédito: agujeros negros nacidos de otras fusiones previas. Un descubrimiento que reescribe el árbol genealógico del universo.
Por Enrique Coperías
Fusión binaria de agujeros negros. Las ondas gravitacionales generadas por colisiones como GW241011 y GW241110 revelan cómo el universo recicla agujeros negros en una cadena cósmica de fusiones sucesivas. Cortesía: Carl Knox / OzGrav / Universidad Tecnológica de Swinburne.
Por primera vez desde que se inauguró la astronomía de ondas gravitacionales hace una década, los detectores de LIGO, Virgo y KAGRA han observado lo que parece ser una nueva estirpe de agujeros negros: los de segunda generación, objetos que no nacieron directamente del colapso de una estrella, sino del choque previo de otros agujeros negros más pequeños.
El hallazgo, descrito en The Astrophysical Journal Letters por la colaboración internacional que opera los tres observatorios, abre una ventana inédita a los entornos más densos del cosmos y refuerza la idea de que algunos cúmulos estelares son auténticas fábricas de agujeros negros en cadena.
Los protagonistas del estudio son dos señales de ondas gravitacionales, denominadas GW241011 y GW241110, captadas con apenas un mes de diferencia durante la segunda mitad de la cuarta campaña de observación de LIGO–Virgo–KAGRA, en octubre y noviembre de 2024. Ambas corresponden a fusiones de agujeros negros binarios, pero con propiedades tan extremas y peculiares que los astrónomos sospechan que, al menos en parte, son los descendientes de fusiones anteriores.
¿Qué observaron LIGO, Virgo y KAGRA?
Las dos parejas detectadas parecen cortadas por el mismo patrón: en ambos casos, el agujero negro más masivo tiene entre quince y veinte veces la masa del Sol, y su compañero, unas tres veces menos. Pero su similitud se rompe en la forma en que giran.
El agujero negro principal de GW241011 rota a una velocidad vertiginosa y en el mismo sentido que la órbita del sistema, aunque con una ligera inclinación de unos 30 grados. Su hermano en GW241110, en cambio, gira en dirección contraria a la órbita, el primer caso de rotación antialineada medido de forma concluyente en un sistema binario de este tipo. Ambos exhiben velocidades de rotación extremas, con valores de espín cercanos a 0,8 (el máximo posible es 1), algo muy poco habitual en los agujeros negros conocidos hasta ahora.
Estas rotaciones tan altas, combinadas con órbitas desalineadas y proporciones de masa desiguales, son difíciles de explicar si los agujeros negros se formaron de manera aislada, a partir de dos estrellas masivas que evolucionaron juntas. Los modelos de evolución estelar predicen que, tras su colapso, los agujeros negros nacen con espines bajos y bien alineados.
Pero los de GW241011 y GW241110 parecen haber vivido otra historia: la de los cúmulos estelares densos, donde los agujeros negros se encuentran, se fusionan y los restos vuelven a unirse una y otra vez en una especie de árbol genealógico cósmico.
🗣️ «Cada nueva detección ofrece información esencial sobre el universo, y nos recuerda que cada fusión observada es, al mismo tiempo, un descubrimiento astrofísico y un laboratorio inestimable para poner a prueba las leyes fundamentales de la física», explica Carl-Johan Haster, profesor de Astrofísica en la Universidad de Nevada (Estados Unidos) y coautor del estudio, en una comunicado del Observatorio Gravitacional Europeo (EGO).
En palabras de este astrofísico, «sistemas binarios como estos habían sido predichos a partir de observaciones anteriores, pero esta es la primera evidencia directa de su existencia».
La hipótesis de los «agujeros negros reciclados»
La interpretación más coherente, según los autores, es que ambos sistemas son el resultado de fusiones jerárquicas: el agujero negro principal de cada par sería el remanente de una fusión anterior. En esos entornos, como los cúmulos globulares y los núcleos galácticos, las colisiones son frecuentes y los agujeros negros recién nacidos, si no son expulsados por el retroceso gravitatorio, pueden quedarse atrapados y buscar nueva pareja.
En palabras de lo autores del artículo, los resultados son «fuertemente sugestivos» de que al menos una parte de la población de agujeros negros binarios se forma de manera dinámica, y que los entornos que los acogen son «lo bastante masivos como para retener los remanentes de fusiones previas y propiciar nuevas uniones».
🗣️ «GW241011 y GW241110 se encuentran entre los eventos más novedosos de entre los varios cientos que la red LIGO–Virgo–KAGRA ha observado — apunta Stephen Fairhurst, profesor en la Universidad de Cardiff y portavoz de la LIGO Scientific Collaboration. Y añade—: En ambos casos, uno de los agujeros negros es significativamente más masivo que el otro y gira a gran velocidad, lo que constituye una prueba sugerente de que estos agujeros negros se formaron a partir de fusiones previas».
Este escenario también encaja con las altas velocidades de rotación observadas: cuando dos agujeros negros se funden, el resultado suele ser un objeto que gira rápido, con un espín alrededor de 0,7. Si ese remanente vuelve a fusionarse, la rotación resultante puede ser aún mayor, como parece ocurrir en GW241011.
Infografía de los eventos GW241011 y GW241110. Muestra cómo los detectores LIGO, Virgo y KAGRA captaron las ondas gravitacionales de dos fusiones de agujeros negros con rotaciones extremas, posibles descendientes de colisiones previas. Crédito: Shanika Galaudage / Universidad Northwestern / Adler Planetarium
Un laboratorio cósmico para probar la relatividad general
Más allá de su valor astrofísico, estos eventos se han convertido en un banco de pruebas excepcional para la relatividad general. Así es, el más intenso de ellos, GW241011, alcanzó una relación señal–ruido de 36, lo que lo convierte en la tercera detección de ondas gravitacionales más potente jamás registrada. Esa claridad ha permitido realizar pruebas de precisión sobre las propiedades del espacio-tiempo y la naturaleza de los agujeros negros.
Por ejemplo, el equipo de astrofísicos ha medido con una precisión sin precedentes el momento cuadrupolar inducido por el espín del agujero negro primario, una propiedad que en la teoría de Einstein debe seguir la llamada solución de Kerr, donde el agujero está completamente descrito por su masa y su rotación. Los resultados confirman la predicción relativista con una precisión de hasta un 10 %, lo que supone una mejora en dos órdenes de magnitud las pruebas anteriores.
GW241011 también permitió observar modos de radiación más allá del cuadrupolo, una especie de armonías superiores en la sinfonía gravitacional del evento, que hasta ahora solo se habían detectado de manera marginal. Su análisis ha confirmado la estructura multipolar esperada, otro triunfo para la teoría de Einstein en un régimen extremo.
🗣️ «Este descubrimiento también significa que ahora somos más sensibles que nunca a cualquier nueva física que pueda ir más allá de la teoría de Einstein», dice Haster.
Más allá de Einstein: la búsqueda de nueva física y partículas exóticas
Los investigadores han aprovechado la enorme velocidad de rotación de estos objetos para poner límites a la existencia de hipotéticas partículas exóticas, como los bosones ultraligeros. Si tales partículas existieran con ciertas masas, podrían formar una nube alrededor del agujero negro y frenar su rotación a través de un proceso llamado superradiancia.
Ahora bien, los espines observados en GW241011 y GW241110 son demasiado altos para que eso haya ocurrido, lo que descarta la presencia de bosones con masas de entre 10⁻¹³ y 10⁻¹² electronvoltios.
🗣️ «La detección y el análisis de estos dos eventos demuestran lo importante que es operar nuestros detectores de forma coordinada y esforzarnos continuamente por mejorar su sensibilidad», señala Francesco Pannarale, profesor en la Universidad de Roma La Sapienza y copresidente de la División de Ciencia Observacional de las colaboraciones LIGO–Virgo–KAGRA.
En palabras del profesor Pannarale, «los instrumentos de LIGO y Virgo nos han enseñado un poco más sobre cómo pueden formarse los sistemas binarios de agujeros negros en nuestro universo, así como sobre la física fundamental que los rige en su esencia más profunda. Al mejorar nuestros instrumentos, podremos profundizar aún más en estos y otros aspectos con una precisión cada vez mayor en nuestras mediciones».
Un retrato del cosmos en movimiento
Aunque estas dos fusiones no alteran significativamente las estadísticas globales de la población de agujeros negros observados, sí amplían el mapa de posibilidades. Las detecciones anteriores mostraban una mayoría de sistemas de masas comparables y rotaciones modestas; GW241011 y GW241110, en cambio, se sitúan en los extremos: pocos, rápidos y desalineados.
Los autores no descartan que formen parte de una subpoblación emergente, con agujeros negros de masa baja, espines altos y órbitas excéntricas o inclinadas.
En conjunto, estos hallazgos apuntan a un universo dinámico donde la materia colapsada no solo nace y muere, sino que se recicla. Cada nueva observación refina ese retrato y, con él, la comprensión de los mecanismos que gobiernan los entornos más violentos del cosmos.
«Estas detecciones ponen de relieve las capacidades extraordinarias de nuestros observatorios globales de ondas gravitacionales —afirma Gianluca Gemme, portavoz de la Virgo Collaboration. Y añade—: Las configuraciones de rotación inusuales observadas en GW241011 y GW241110 no solo desafían nuestra comprensión sobre la formación de agujeros negros, sino que también ofrecen una evidencia convincente de fusiones jerárquicas en entornos cósmicos densos: nos enseñan que algunos agujeros negros no existen únicamente como parejas aisladas, sino probablemente como miembros de una multitud densa y dinámica. Estos descubrimientos subrayan la importancia de la colaboración internacional para desvelar los fenómenos más esquivos del cosmos».
Las dos fusiones parecen gemelas, pero con un giro sorprendente. En GW241011 el agujero negro más masivo gira a favor de la órbita, mientras que en GW241110 lo hace en sentido contrario: el primer caso confirmado de rotación antialineada en un sistema binario. Cortesía: Carl Knox / OzGrav / Swinburne University of Technology
Cómo se detectaron los eventos GW241011 y GW241110
El evento GW241011 fue captado el 11 de octubre de 2024 por los interferómetros de LIGO Hanford y Virgo, aunque el detector de Livingston no estaba operativo en ese momento.
La señal sobresalió de manera inmediata con una probabilidad de falso positivo inferior a una vez cada 100.000 años. Por su parte, GW241110, observado un mes después, fue más débil, pero confirmado de forma independiente por los tres observatorios.
En ambos casos, los equipos utilizaron análisis bayesianos avanzados para reconstruir las masas, rotaciones y geometría de los sistemas a partir de los sutiles patrones de las ondas detectadas.
Qué significa este descubrimiento para el futuro de la astronomía
La colaboración LIGO–Virgo–KAGRA se encuentra en plena cuarta campaña de observación, y los autores confían en que la sensibilidad creciente de los detectores permita seguir ampliando el catálogo de eventos. Cada mejora instrumental multiplica el volumen del universo accesible a estas observaciones y, con ello, la probabilidad de detectar nuevas generaciones de agujeros negros. Es más, incluso los primeros indicios de física desconocida.
«Los catálogos de ondas gravitacionales crecen y se diversifican —señalan los investigadores—. Cada evento aporta pistas únicas que expanden nuestro conocimiento sobre la población de objetos compactos y los procesos que los originan».
Diez años después de aquella primera señal detectada en 2015, LIGO, Virgo y KAGRA han pasado de registrar un único ping del espacio-tiempo a escuchar un coro cósmico de colisiones. Ahora, gracias a eventos como GW241011 y GW241110, empezamos a distinguir las voces de las generaciones sucesivas de agujeros negros, esos herederos de un universo que nunca deja de fusionarse consigo mismo. ▪️
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Información facilitada por el Observatorio Gravitacional Europeo
Fuente: A. G. Abac et al. GW241011 and GW241110: Exploring Binary Formation and Fundamental Physics with Asymmetric, High-spin Black Hole Coalescences. The Astrophysical Journal Letters (2025). DOI: 10.3847/2041-8213/ae0d54
