Dos fusiones distintas de agujeros negros, con colaboración de la UIB, arrojan nueva luz sobre su formación y evolución

La observación de que uno de los agujeros negros recientemente detectados mantiene una rotación elevada incluso después de millones de años descarta una amplia variedad de masas posibles para los bosones ultraligeros, partículas hipotéticas cuya existencia aún no se ha demostrado. Esta conclusión forma parte de los resultados de dos hallazgos científicos sobre ondas gravitacionales realizados por la colaboración internacional LIGO-Virgo-KAGRA, en los que ha participado el grupo Gravity de la Universitat de les Illes Balears (UIB). Según informó la UIB a través de un comunicado, las fusiones de agujeros negros identificadas aportan pruebas que consolidan predicciones de la física formuladas hace más de 100 años, al tiempo que abren nuevas posibilidades en el ámbito de la física fundamental.

Las detecciones, conocidas como GW241011 y GW241110 y reportadas en ‘The Astrophysical Journal Letters’, corresponden a dos fusiones de agujeros negros que ocurrieron en octubre y noviembre de 2024. Los datos recabados validan con precisión inédita las leyes previstas por Albert Einstein y contribuyen al avance en la búsqueda de partículas elementales aún no identificadas, con la potencial aptitud de extraer energía de los agujeros negros. De acuerdo con la información difundida por la UIB, estos hallazgos sitúan a los equipos de investigación españoles en un lugar de referencia en la astrofísica internacional.

Las dos ondas gravitacionales detectadas se produjeron a distancias y en circunstancias excepcionales. El evento GW241011, registrado el 11 de octubre de 2024 a unos 700 millones de años luz, resultó de la fusión de dos agujeros negros con masas de aproximadamente 20 y 6 veces la del Sol. El agujero negro de mayor tamaño en este sistema mostró una velocidad de rotación entre las más rápidas observadas hasta la fecha. Por su parte, GW241110, identificado casi un mes después, el 10 de noviembre de 2024, a cerca de 2.400 millones de años luz, implicó la unión de agujeros negros de aproximadamente 17 y 8 masas solares. En este caso, el agujero negro principal presentaba una rotación en sentido opuesto a la de su órbita, una característica hasta ahora no registrada, informó la UIB.

La diferencia de tamaño entre los agujeros negros fusionados y las orientaciones de giro atípicas han motivado la hipótesis entre los científicos de que estos sistemas son el resultado de fusiones anteriores, un proceso denominado fusión jerárquica. Según detalló la UIB, este fenómeno suele ocurrir en entornos con elevada densidad estelar, como cúmulos, donde la interacción entre agujeros negros es más frecuente y propicia que se produzcan sucesivas uniones. La detección de GW241011 y GW241110 revela nuevas propiedades ocultas de estos objetos, permitiendo un análisis inédito sobre la evolución de los agujeros negros y favoreciendo avances en la comprensión de su formación.

El grupo Gravity de la Universitat de les Illes Balears ha participado en más de 300 identificaciones de ondas gravitacionales desde el inicio de este tipo de observaciones. Antoni Ramos Buades, profesor distinguido del Departamento de Física de la universidad y miembro del grupo, ha destacado en declaraciones recogidas por la UIB que estos descubrimientos redefinen los modelos de evolución cósmica y establecen a los agujeros negros como entornos experimentales únicos para examinar las leyes de la física. Ramos también aportó que fue uno de los principales responsables del desarrollo de los modelos teóricos y herramientas analíticas que permitieron la interpretación precisa de los nuevos datos.

La onda gravitacional GW241011, detectada con alta claridad, facilitó la realización de pruebas extremadamente precisas sobre las predicciones de la relatividad general de Einstein, según reportó la UIB. Las señales recuperadas durante este evento se compararon con los cálculos teóricos de la solución de Roy Kerr para agujeros negros en rotación. La velocidad rotacional elevada del objeto produjo una leve deformación, reflejada en la señal gravitatoria. El análisis certificado por el equipo investigador confirmó con gran exactitud esta predicción de la relatividad general.

En este mismo evento, los científicos advirtieron la presencia de una frecuencia armónica superior, denominada “zumbido”, similar a los sobretonos que producen los instrumentos musicales. Este fenómeno únicamente se ha documentado en dos ocasiones previas en la observación de ondas gravitacionales, y la detección en GW241011 corresponde a la tercera vez que se registra. La claridad de esta armónica refuerza otra predicción esencial realizada por Einstein, indicó la UIB.

Las implicaciones de estos resultados trascienden el campo de la gravitación. Los agujeros negros de alta rotación sirven, además, para investigar la posibilidad de existencia de bosones ultraligeros: partículas propuestas por teorías de física que extienden el Modelo Estándar, el marco actualmente utilizado para describir todas las partículas elementales. Según comunicó la UIB, la teoría sostiene que estas partículas estarían en capacidad de extraer energía rotacional de los agujeros negros, y el ritmo de pérdida de giro dependería de la masa de los propios bosones.

La continuidad en la rapidez rotacional del agujero negro mayor en GW241011, pese al paso de millones o miles de millones de años, permite excluir una gran parte del rango de masas posibles para los bosones ultraligeros, brindando así nuevas restricciones experimentales sobre sus propiedades. Los datos obtenidos refuerzan la relevancia de los sistemas de observación internacionales como LIGO, Virgo y KAGRA, así como el valor del trabajo del grupo Gravity y su colaboración con la Universitat de les Illes Balears, según puntualizó la propia entidad en su comunicado.

Por último, la UIB recalcó que la astronomía de ondas gravitacionales avanza en la revelación de propiedades ocultas de los agujeros negros, permitiendo que estos fenómenos del universo actúen como laboratorios naturales para testar teorías fundamentales y ampliar el conocimiento sobre el universo y sus componentes más extremos.