En abril de 2023, los detectores LIGO, Virgo y KAGRA captaron una onda gravitacional procedente de la fusión de dos agujeros negros. Las masas, 137 y 103 masas solares, convirtieron al evento GW231123 en el más masivo jamás observado. Ambos agujeros cayeron en la "brecha de inestabilidad de pares", un rango donde la evolución estelar normal no debería dejar agujeros negros. Los espines de los componentes, 0.90 y 0.80, también son anómalamente altos para tales gigantes. ¿De dónde salió este par?
Los astrofísicos llevan tiempo considerando los agujeros negros primordiales, objetos nacidos en los primeros instantes tras el Big Bang a partir de sobredensidades. Estos agujeros pueden crecer mediante acreción, es decir, por la caída de gas del entorno. En el nuevo trabajo se muestra que, partiendo de dos modestas semillas con masas de 85.5 y 59.1 masas solares, tras la acreción crecen hasta las 137 y 103 masas solares observadas. Además, el gas que cae hace girar a los agujeros, elevando sus espines hasta 0.90 y 0.80, exactamente como en los datos de LIGO-Virgo-KAGRA.
El modelo no solo ajusta los parámetros. Predice la tasa de fusiones: para explicar un solo GW231123 se necesita una fracción de agujeros negros primordiales en la materia oscura de aproximadamente $10^{-3}$. Este valor se encuentra justo en el límite de las regiones excluidas por observaciones de rayos X y del fondo cósmico de microondas, por lo que la hipótesis no contradice los datos, pero tampoco está confirmada. La próxima campaña O5 debería detectar unos 20 eventos similares si la interpretación es correcta.
El escenario de agujeros negros primordiales explica tanto las masas como los espines sin recurrir a canales astrofísicos exóticos, como las fusiones jerárquicas en cúmulos densos. Si es correcto, los agujeros negros primordiales podrían constituir una fracción significativa de la materia oscura en el rango de decenas de masas solares. El telescopio Einstein Telescope podría observar fusiones a corrimientos al rojo z > 15, donde aún no existían agujeros negros estelares. Esa sería la prueba definitiva.
Semillas modestas que crecieron hasta convertirse en gigantes bajo una lluvia de gas: así podría describirse el nacimiento de GW231123. Las próximas ondas gravitacionales nos dirán si esta imagen se acerca a la realidad.
Las masas iniciales de GW231123 (85.5 y 59.1 solares) después de la acreción crecieron hasta 137 y 103 solares, es decir, el agujero negro más pequeño "alcanzó" al más grande, aumentando la relación de masas de 0.69 a 0.75.
La idea de los agujeros negros primordiales como masa oculta resuena con la novela de Greg Egan "La escalera de Schild", donde objetos compactos exóticos del universo temprano juegan un papel clave en la cosmología.