La fragua de los agujeros negros: fusiones estelares como fuente de espín

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En el centro de un cúmulo estelar denso reina una auténtica fragua: aquí las estrellas, como piezas al rojo vivo, chocan y se fusionan bajo la acción de la gravedad, y estas fusiones no son una catástrofe, sino una oportunidad. Cada golpe del martillo estelar transfiere rotación al futuro agujero negro. Durante mucho tiempo, los astrofísicos no lograron entender de dónde obtienen los agujeros negros un espín apreciable: una estrella masiva aislada, al inflarse hasta convertirse en supergigante roja y desprenderse de su envoltura, pierde casi por completo su momento angular. Pero en los cúmulos globulares, donde en un parsec cúbico se agolpan miles de astros, las interacciones frecuentes reescriben el guion. Los cálculos muestran que en un cúmulo típico, hasta la mitad de todos los agujeros negros han experimentado al menos una fusión con una estrella antes de su propio colapso.

La clave del éxito es la relación de masas de las compañeras. Si la segunda estrella es al menos un tercio más ligera que la primera (q > 0,3), el producto de la fusión se transforma en una supergigante azul: compacta, caliente, con una temperatura superior a 8000 K, envuelta en una capa de hidrógeno. No pierde tiempo hinchándose hasta la fase roja y, por lo tanto, conserva su rápida rotación. Este es el secreto de la fragua cósmica: forjar dos núcleos a tiempo, sin darle a la estrella la oportunidad de inflarse. Las simulaciones de evolución confirman que, durante el colapso, este tipo de gigante da origen a un agujero negro con un parámetro de espín adimensional de 0,5 a 0,8. A modo de comparación, el espín de un agujero negro aislado rara vez supera 0,1. La diferencia es como la que hay entre un trompo que apenas empieza a girar y un peón zumbante.

Estos objetos de rápida rotación no solo sorprenden a los detectores de ondas gravitacionales, cuyas señales nos llegan a la velocidad de la luz, sino que también influyen en la arquitectura de los propios cúmulos. Cuando dos agujeros negros se fusionan, la emisión asimétrica de ondas gravitacionales imparte un impulso al sistema: se produce una retropropulsión. Ya el Jacob Bekenstein calculó por primera vez la velocidad de este «cañón» gravitacional. Los cálculos modernos muestran que, para un cúmulo típico de un millón de masas solares, la velocidad de escape es de aproximadamente 66 km/s. El espín de los agujeros acelerados añade potencia a la retropropulsión, y el agujero negro recién nacido puede salir despedido del cúmulo como una chispa de debajo del martillo. Esto impide la acumulación de agujeros masivos en el centro y ralentiza las fusiones jerárquicas. Sin embargo, una parte de los objetos logra permanecer, formando una población con altos espines.

La perspectiva de estas investigaciones va mucho más allá de un único problema. La conexión entre las fusiones estelares y los espines arroja luz sobre la naturaleza de las largas explosiones de rayos gamma (colapsares), donde un núcleo en rápida rotación colapsa en un agujero negro expulsando chorros relativistas. Las futuras observaciones del Telescopio Espacial Hubble y su sucesor Roman, combinadas con códigos mejorados que tengan en cuenta la hidrodinámica de las fusiones, permitirán confirmar este panorama. Además, el estudio de los espectros de las supergigantes azules mediante espectroscopía ofrecerá la posibilidad de medir directamente su rotación y compararla con las predicciones. Así, poco a poco, vamos armando el mosaico desde la época del Big Bang hasta las fusiones actuales, donde cada colisión estelar es un paso hacia la comprensión de cómo el Universo crea sus objetos más enigmáticos.