Los agujeros negros más grandes nacen en cúmulos estelares densos tras fusiones violentas

Los agujeros negros más masivos del Universo, detectados gracias a las ondulaciones que generan en el espacio-tiempo, no nacieron directamente del colapso de estrellas, según un nuevo estudio. En su lugar, estos gigantes cósmicos se desarrollaron a través de una serie de fusiones repetidas y extremadamente violentas en cúmulos estelares muy densos, según sostiene un equipo internacional de investigadores en un artículo publicado hoy en la revista Nature Astronomy.

El estudio, liderado por la Universidad de Cardiff, analizó la versión 4.0 del Catálogo de Transitorios de Ondas Gravitacionales (GWTC-4, por las siglas en inglés) de la colaboración LIGO–Virgo–KAGRA, que contiene 153 detecciones suficientemente fiables de fusiones de agujeros negros. El Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (IEEC) participó en este estudio a través de investigadores del Instituto de Ciencias del Cosmos de la Universidad de Barcelona (ICCUB).

El equipo quería poner a prueba la idea de que los agujeros negros más pesados del GWTC-4 son objetos de segunda generación, es decir, formados cuando agujeros negros previos se fusionaron y, posteriormente, volvieron a fusionarse en los núcleos densos de los cúmulos estelares, donde las estrellas pueden estar empaquetadas hasta un millón de veces más estrechamente que en la vecindad del Sol. Sus hallazgos indagan en los orígenes de los agujeros negros más pesados detectados mediante ondas gravitatorias, revelando dos poblaciones distintas.

«La astronomía de ondas gravitatorias ahora hace algo más que contar fusiones de agujeros negros», explica el autor principal Fabio Antonini, de la Escuela de Física y Astronomía de la Universidad de Cardiff. «Está empezando a revelar cómo crecen los agujeros negros, dónde lo hacen y qué nos dice eso sobre la vida y la muerte de las estrellas masivas».

«La capacidad de señalar directamente a los cúmulos estelares como el origen de estas fusiones abre la emocionante posibilidad de utilizar las ondas gravitatorias como una herramienta completamente nueva para aprender sobre la formación y la evolución temprana de los cúmulos estelares densos que se formaron en el Universo temprano», afirma el coautor Mark Gieles, profesor de investigación ICREA en el IEEC y el ICCUB.

En los datos de ondas gravitatorias, el equipo identificó, por un lado, una población de menor masa compatible con el colapso estelar ordinario y, por otro lado, una población de mayor masa cuyos espines aparecen exactamente como se esperaría si esos agujeros negros se hubieran formado mediante fusiones repetidas con otros agujeros negros dentro de grupos de estrellas abarrotados, en lugar de haber nacido directamente de estrellas individuales.

«Lo que más nos sorprendió fue la claridad con la que los agujeros negros de gran masa destacan como una población separada», recuerda la coautora Isobel Romero-Shaw, investigadora Ernest Rutherford en la Universidad de Cardiff.

«A diferencia de los sistemas de menor masa que analizamos, que generalmente tenían una rotación lenta, los sistemas de mayor masa son consistentes con espines más rápidos, orientados en direcciones aparentemente aleatorias», añade. «Esta es la firma exacta que se esperaría si los agujeros negros se estuvieran fusionando repetidamente en cúmulos estelares densos. Eso hace que el origen en cúmulos sea mucho más convincente de lo que era con los catálogos anteriores».

El estudio también proporciona la evidencia más sólida hasta la fecha de una «brecha de masa» (mass gap), donde las estrellas extremadamente masivas explotan catastróficamente en lugar de colapsar en agujeros negros. Esta teoría, predicha hace tiempo, describe un rango de masas prohibido para los agujeros negros creados directamente a partir de estrellas, en el que se espera que las estrellas muy masivas se desintegren antes de poder formar un agujero negro.

El equipo sitúa este rango en una población de agujeros negros de origen estelar de 45 veces la masa del Sol en adelante. Antonini señaló: «En nuestro estudio encontramos evidencia del hueco de masa por inestabilidad de pares predicho hace tiempo. Los detectores de ondas gravitatorias han logrado encontrar agujeros negros que parecen situarse dentro o cerca de ese hueco, que identificamos alrededor de las 45 masas solares».

«Por lo tanto, la pregunta clave ahora es: ¿estos agujeros negros nos están diciendo que nuestros modelos de evolución estelar son erróneos, o se están formando de otra manera?», se pregunta Antonini. «Los agujeros negros más grandes de la muestra actual parecen hablarnos de la dinámica de los cúmulos, no solo de la evolución estelar».

Y continúa: «Por encima de las 45 masas solares, la distribución del espín cambia de una manera que es difícil de explicar solo con binarias estelares normales, pero que se explica de manera natural si estos agujeros negros ya han pasado por fusiones previas en cúmulos densos».

El equipo también utilizó esta transición para arrojar luz sobre una reacción nuclear importante implicada en la fusión del helio dentro de las estrellas masivas. «En el futuro, los datos de ondas gravitatorias podrían ayudar a los científicos a estudiar la física nuclear, porque el límite de masa establecido por la inestabilidad de pares depende de las reacciones nucleares que tienen lugar en los núcleos de las estrellas masivas», añadió la coautora Fani Dosopoulou, investigadora asociada en la Universidad de Cardiff.