¿Cómo se originan los agujeros negros? Una nueva herramienta del IGFAE reconstruye su árbol genealógico

Los agujeros negros son uno de los fenómenos más misteriosos del universo, y también los protagonistas de algunos de los eventos más violentos que se pueden observar: sus fusiones. Estos "choques cósmicos" generan ondas gravitacionales, deformaciones en el espacio-tiempo que viajan a la velocidad de la luz y que actualmente pueden detectarse gracias a colaboraciones internacionales como LIGO, Virgo o Kagra.

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Ahora, un equipo de investigadores del Instituto Galego de Física de Altas Enerxías (IGFAE) y de la Universidad China de Hong Kong (CUHK) desarrolló una nueva técnica para reconstruir lo que se podría llamar el "árbol genealógico" de los agujeros negros, es decir, sus orígenes. Este avance, publicado en The Astrophysical Journal, está liderado por Juan Calderón Bustillo, investigador Ramón y Cajal en el IGFAE, un centro mixto de la Universidad de Santiago de Compostela y la Xunta de Galicia.

Un viaje al pasado de los agujeros negros

Cuando dos agujeros negros se fusionan, el análisis de las ondas gravitacionales resultantes puede revelar pistas sobre las propiedades de estos objetos, como sus masas o el sentido en el que giran. La mayoría de los agujeros negros se formas a partir del colapso de estrellas masivas, pero no siempre es así. Existe un intervalo de masas conocido como el "vacío de inestabilidad de pares", en el que los agujeros negros no se pueden formar directamente. En este rango, solo pueden surgir a través de fusiones jerárquicas, un proceso en el que agujeros negros más pequeños se fusionan una y otra vez, creando objetos progresivamente más masivos.

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Este nuevo método permite trazar las huellas dejadas por estas fusiones previas, ayudando a descifrar el origen de los agujeros negros que observamos hoy en día.

Un reto cósmico: las ‘patadas’ de los agujeros negros

El estudio también aborda un desafío importante: cuando un agujero negro se forma tras una fusión, puede recibir una "patada" o velocidad de retroceso que puede expulsarlo de su entorno. Estas patadas pueden alcanzar miles de kilómetros por segundo, lo suficiente para echar el agujero negro fuera de galaxias o cúmulos estelares. Esto dificulta que estos objetos participen en nuevas fusiones y, por tanto, que formen generaciones sucesivas.

Segundo explica Juan Calderón, “con este tipo de estudio no solo podemos deducir quién fueron los antepasados de los agujeros negros. También podemos estimar en qué tipo de entorno tuvieron lugar estas fusiones. Y si ningún entorno conocido es viable, tendremos que reconsiderar nuestras teorías sobre la evolución estelar o incluso sobre la naturaleza de los objetos que estamos observando”.

Un caso de estudio: la señal GW190521

El equipo aplicó esta técnica a la misteriosa señal de las ondas gravitacionales GW190521, asociado a un agujero negro dentro de ese ‘vacío de masas prohibido’. Según Carlos Araújo, coautor del estudio y estudiante de máster en el Instituto de Astrofísica de Canarias, “descubrimos que es poco probable que este agujero negro se formara en un cúmulo globular, debido a la gran patada que podría heredar”.

En cambio, otros ambientes con mayores velocidades de escape, como los Núcleos Galácticos Activos o los Cúmulos Estelares Nucleares, parecen más plausibles. Este hallazgo encaja con estudios previos que ya sugerían que GW190521 podría haber tenido su origen en un Núcleo Galáctico Activo.

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El futuro: detecciones más precisas

Una de las claves de este estudio es la relación entre el giro de los agujeros negros y sus patadas. Aunque actualmente no podemos medir con mucha precisión los giros de estos objetos, la sensibilidad de detectores como LIGO y Virgo seguirá mejorando en los próximos años.

Según Ania Liu, coautora del artículo y doctoranda en la CUHK, “con la llegada de detectores de tercera generación, nuestro método podrá ofrecer una visión aun más detallada sobre la genealogía de los agujeros negros”.

Este nuevo enfoque abre una ventana hacia el pasado del universo, ofreciendo un fascinante mapa para comprender mejor el ciclo de vida de estos misteriosos objetos cósmicos.