Investigadores del MIT han descubierto que aproximadamente el 14% de los agujeros negros en el universo son de segunda generación, formados por fusiones previas de otros agujeros negros.
Los físicos han descubierto indicios de agujeros negros que han colisionado y que, a su vez, son el resultado de fusiones anteriores entre otros agujeros negros.
Tradicionalmente, se ha considerado que los agujeros negros nacen cuando una estrella masiva muere. Este proceso implica que, al final de la vida de una estrella, sus capas externas se expulsan en una supernova brillante, mientras que su núcleo colapsa en una región densa y gravitacionalmente intensa, formando así un agujero negro.
No obstante, descubrimientos recientes a partir de detectores de ondas gravitacionales han revelado cientos de agujeros negros fusionándose en el universo. Aunque muchos se pensaban originados directamente por explosiones estelares, también es posible que algunos provengan de otros agujeros negros más pequeños. Esta vía alternativa, conocida como “fusión jerárquica”, sugiere que los productos de fusiones anteriores pueden combinarse nuevamente para crear un agujero negro más masivo.
Científicos del MIT han encontrado evidencia significativa que indica que un número considerable de agujeros negros en fusión puede haber experimentado fusiones previas. A través de un nuevo análisis basado en datos recientes obtenidos por los observatorios LIGO, Virgo y KAGRA —que incluyen 155 pares de agujeros negros binarios— se estima que aproximadamente el 14% de estos podrían ser agujeros negros de segunda generación formados por la fusión previa de dos agujeros más pequeños.
Los resultados fueron publicados esta semana en Physical Review Letters, donde se destaca que la fusión jerárquica es una vía relevante para la formación de estos cuerpos celestes. Según Cailin Plunkett, autora principal del estudio y estudiante graduada en el Departamento de Física del MIT: “Para algunos de estos agujeros negros en fusión, no es su primera experiencia”. La investigación revela un patrón consistente donde un porcentaje notable proviene precisamente de este proceso repetido.
Cuando una estrella masiva colapsa, el agujero negro resultante debería tener poco o ningún giro debido a la pérdida significativa tanto de masa como del momento angular durante la explosión. En contraste, la fusión entre dos agujeros negros genera un segundo agujero negro con un giro mucho más rápido. Salvatore Vitale, coautor del estudio y profesor asociado del MIT, explica: “Estos nuevos agujeros girarían muy rápidamente, alcanzando alrededor del 70% de su giro máximo posible”.
Los científicos sugieren que las fusiones jerárquicas tienden a ocurrir en entornos estelares densos donde múltiples estrellas pueden morir y colapsar para formar varios agujeros negros lo suficientemente cercanos como para fusionarse entre sí. “Este proceso puede repetirse indefinidamente gracias a la gran cantidad de estrellas y agujeros negros presentes en estos ambientes densos”, añade Plunkett.
En 2024, los científicos detectaron dos fusiones desiguales en señales registradas por los observatorios mencionados. Estas señales indican que uno de los agujeros tiene un giro mucho más alto y una masa superior al otro. Al analizar estas señales con detenimiento para determinar las masas y giros específicos involucrados en cada fusión, Plunkett y Vitale decidieron investigar patrones similares utilizando todos los datos disponibles hasta ahora.
El equipo analizó el Catálogo Transitorio de Ondas Gravitacionales LIGO-Virgo-KAGRA (GWTC-4.0), buscando patrones característicos asociados a las fusiones jerárquicas. Su análisis reveló que aproximadamente el 14% podría haber experimentado fusiones previas; además, identificaron masas específicas asociadas a estos segundos generacionales: alrededor de 20 masas solares o superiores a 40 masas solares.
Plunkett concluye: “La teoría sobre evolución estelar predice que no deberíamos poder formar agujeros negros tan masivos solo mediante supernovas”. Estos hallazgos apoyan la hipótesis sobre la formación repetida mediante fusiones previas como explicación para algunos fenómenos observables hoy día. Esta investigación fue respaldada parcialmente por la Fundación Nacional Científica y la Fundación Brinson.
La fusión jerárquica es un proceso en el que los agujeros negros se forman a partir de la fusión de otros agujeros negros más pequeños. Esto significa que algunos agujeros negros pueden haber tenido "vidas pasadas" como resultado de fusiones anteriores.
El descubrimiento de que alrededor del 14% de los agujeros negros en el universo pueden ser de segunda generación sugiere que la formación de agujeros negros puede ser más compleja de lo que se pensaba, y podría ayudar a explicar la existencia de agujeros negros masivos que no se pueden formar solo a partir de explosiones de supernovas.
Las fusiones se detectan mediante observatorios como LIGO, Virgo y KAGRA, que registran ondas gravitacionales generadas por eventos cósmicos como la colisión de agujeros negros. Los científicos analizan estos datos para identificar patrones específicos que indican fusiones jerárquicas.