relación de masas

En 2015, los detectores LIGO captaron por primera vez el temblor del espacio provocado por la fusión de dos agujeros negros. Desde entonces, se han acumulado cientos de eventos, y cada uno lleva la huella de su linaje: si los agujeros nacieron juntos, de un mismo par de estrellas, o si se encontraron por azar en un cúmulo denso.

En el centro de una galaxia, donde un agujero negro supermasivo hace girar a su alrededor un disco de gas incandescente, a veces nacen estrellas gigantes. No se parecen a las normales: el disco las alimenta continuamente con materia, y la estrella puede crecer hasta alcanzar cientos de masas solares, permaneciendo brillante mientras el flujo de gas no se agote.

Un agujero negro es como una peonza que nunca se detiene por sí sola. Pero si a su alrededor aparece una nube de partículas ultraligeras —bosones—, la situación cambia. Esa "niebla" actúa como un freno invisible: las partículas extraen la rotación del agujero, haciendo que se desacelere.

Una enana blanca es el antiguo núcleo de una estrella como el Sol, comprimido hasta el tamaño de la Tierra. Una cucharadita de su materia pesaría varias toneladas. Una estrella de neutrones es un resto aún más denso: una ciudad del tamaño de Manhattan, pero con una masa mayor que la del Sol.

Un agujero negro en rotación no es un remolino tranquilo. El espacio a su alrededor tiembla y vibra ante la menor perturbación, como la cuerda de una guitarra después de un pellizco. Estas oscilaciones se describen mediante la ecuación de Teukolsky, una construcción matemática compleja que los físicos estudian desde hace medio siglo.

Dos agujeros negros giran en una danza cósmica, acercándose en espiral. Al final se fusionan en uno solo —y ese instante produce una potente ráfaga de ondas gravitacionales, una ondulación del propio espacio-tiempo. ¿Y qué queda tras la fusión?

La colisión de galaxias se asemeja a una danza lenta en la que dos compañeros se van acercando gradualmente. En el centro de cada una se esconde un agujero negro supermasivo —un volante invisible con una masa de millones o miles de millones de soles.

En la galaxia NGC 1052 DF2, las estrellas se mueven a tan solo 8 kilómetros por segundo — como si no hubiera masa invisible alrededor. Para comparar: en nuestra Vía Láctea, las estrellas periféricas se aceleran hasta 200 kilómetros por segundo, retenidas por un masivo halo de materia oscura.

Capa tras capa, artefacto tras artefacto — el arqueólogo reconstruye la historia de un antiguo asentamiento. Así también los astrofísicos, analizando 259 registros de LIGO–Virgo–KAGRA, vieron una clara estructura estratificada entre los agujeros agujero negro fusionándose.

El viento más rápido del Universo viaja a 0,58 veces la velocidad de la luz. Cubre la distancia de la Tierra a la Luna en dos segundos. Este viento no es un chorro, sino un amplio flujo de gas que irrumpe desde el centro de la galaxia.

El 23 de noviembre de 2023, los detectores de LIGO captaron algo extraño. La señal de ondas gravitacionales de la fusión de dos agujeros negros, denominada GW231123, apuntaba a masas récord — 137 y 101 masas solares — y una rotación anómalamente rápida. Sería la pareja más masiva y de rotación más rápida jamás registrada.

3 milisegundos antes de la fusión. Un enorme agujero negro, girando a una velocidad frenética, atrae hacia sí una estrella de neutrones: una esfera del tamaño de una ciudad, pero con una masa de una vez y media la del Sol.

En un mismo sistema estelar orbitan dos equipos de planetas. Unos se mueven en órbitas ordenadas, como patinadores en una pista, evitando choques. Otros se agrupan, sus trayectorias se cruzan y, tarde o temprano, ocurre un accidente cósmico: un impacto gigante.

En agosto de 2019, los detectores LIGO y Virgo registraron una onda gravitacional procedente de la fusión de dos objetos compactos en un sistema de estrella binaria. Uno de ellos pesaba 23 masas solares, un agujero negro común. El otro, sin embargo, tenía entre 2.5 y 2.67 M⊙.

En 2017, los detectores LIGO y Virgo registraron un temblor del espacio-tiempo provocado por la colisión de dos estrellas de neutrones — el evento GW170817. Tras el primer estallido llegó una resonancia posterior: oscilaciones de kilohercios del recién nacido remanente superdenso.

En mayo de 2020, los detectores LIGO y Virgo registraron la onda gravitacional GW200105. Entre muchas ondas gravitacionales similares, esta se destacó por una rareza: la órbita de la estrella de neutrones y el agujero negro que chocaron no era un círculo perfecto, sino una elipse alargada.

Dos esferas ultradensas, cada una del tamaño de una ciudad, giran en una danza. Su masa es menor que la solar, pero en su interior hay materia comprimida hasta límites inimaginables. Una esfera es una estrella de neutrones; la otra, una estrella extraña, compuesta enteramente de quarks (las partículas elementales que forman protones y neutrones).

El Universo reescribe su historia una y otra vez. Allí donde la astronomía convencional solo ve un punto —un agujero negro—, las ondas gravitacionales retiran finas capas del pasado, como de un antiguo palimpsesto.

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.

Tradicionalmente, un agujero negro se describía mediante tres parámetros: masa, carga y momento angular. Esta descripción lacónica, llevada al aforismo por John Archibald Wheeler: «Los agujeros negros no tienen pelo».

Las fusiones de agujeros negros, predichas por Karl Schwarzschild, son la principal fuente de ondas gravitacionales captadas por los detectores LIGO. A lo largo de los años se han acumulado 259 eventos, cada uno es una historia cifrada del nacimiento de una pareja.

El cosmos coloca sus propias lentes en el camino de las ondas gravitacionales. Cuando dos agujeros negros se fusionan, la ondulación resultante viaja a través del universo.

En el centro de la galaxia M87, a 55 millones de años luz de nosotros, se esconde un agujero negro con una masa de 6,5 mil millones de soles. En 2019, el telescopio Event Horizon Telescope (EHT) mostró por primera vez su retrato: una rosquilla naranja con un núcleo oscuro. Pero la rosquilla no es el abismo en sí.

Como un carrusel: es más fácil hacer girar uno ligero que uno pesado. Algo similar ocurre con las estrellas de neutrones, los restos superdensos de estrellas que han explotado. Los astrónomos examinaron unas cincuenta sistemas binarias donde una estrella de neutrones orbita alrededor de otra y notaron que cuanto más masiva es la estrella, más largo es su período de rotación.

Una patinadora gira sobre el hielo, alejándose gradualmente de su órbita. Del mismo modo, una estrella pequeña o un agujero negro, al orbitar un agujero negro masivo, pierde energía. Emite ondas gravitacionales: ondas en el espacio-tiempo que los detectores en la Tierra captan. Pero la danza de esta pareja es más compleja de lo que parece.

Los detectores de ondas gravitacionales registraron una señal extraña: GW241011. Dos agujeros negros se fusionaron, pero la pareja parecía inusual: uno de ellos era aproximadamente tres veces más ligero que el otro y, además, el sistema en su conjunto rotaba rápidamente. Esa combinación es un visitante poco frecuente en los catálogos.

En la noche infinita del cosmos, las galaxias se encuentran en un lento baile gravitacional para fusionarse. Tales colisiones no son choques frontales, sino más bien el movimiento lento de los dedos a través del agua, dejando tras de sí remolinos y colas.

Las olas seleccionan los guijarros en una playa de arena. Los guijarros pequeños están apretados unos contra otros, casi iguales en tamaño. Un poco más lejos de la orilla, hay una dispersión de piedras más grandes y variadas. Y justo donde el oleaje es más fuerte, se acumulan los fragmentos más grandes y redondeados.

Dos pesadas esferas de vacío oscuro vuelan una hacia la otra y chocan exactamente de frente. No es billar: es la colisión de dos agujeros negros iguales. El impacto hace temblar el propio espacio: son las ondas gravitacionales. La mayor parte de ese temblor es un zumbido grave que los físicos llaman radiación de frenado.

Dos piedras caen en un estanque. De cada una se expanden círculos, pero en cuanto chocan, se produce un chapoteo y un golpe seco y resonante. Algo así suena la fusión de dos estrellas de neutrones, los restos superdensos de estrellas que han explotado.

Los detectores captan el «rizado» de las ondas gravitacionales producido por la fusión de agujeros negros o estrellas de neutrones, como un eco de la cocina donde se preparó el plato cósmico. Los astrónomos intentan reconstruir la receta: cómo dos estrellas masivas se convirtieron en una pareja exótica y colisionaron.

La luz que pasa cerca de un agujero negro se arremolina como el agua alrededor del desagüe de una bañera. Lo más fascinante es el anillo delgado donde los rayos pueden girar eternamente, sin caer hacia adentro ni escapar. Esta es la esfera de fotones, una frontera invisible que dibuja la sombra del agujero en el cielo.

Lanza una piedra a un estanque y verás ondas. Algo similar ocurre dentro de los cúmulos compactos de materia oscura cuando se encuentran en un medio especial: el campo escalar. Este campo, que lo impregna todo, puede amplificarse espontáneamente en el interior de estos objetos, como si las ondas en el agua se hicieran cada vez más altas y visibles.

Las parejas de agujeros negros antes de fusionarse bailan en tres estilos diferentes. El primero es un vals cuidadoso: los objetos giran en la misma dirección, como compañeros mirando hacia el mismo lado. Estas parejas nacen de estrellas binarias y a menudo tienen masas desiguales. El segundo es un disco caótico: las rotaciones están dispersas, las masas son casi iguales.

En 2017, los detectores captaron un temblor del espacio: ondas gravitacionales de la fusión de dos estrellas de neutrones. Los telescopios encontraron de inmediato un destello de luz: una explosión cósmica que los astrónomos llamaron kilonova. En ese caldero de fuego, según se descubrió, nacen los elementos más pesados de la tabla periódica: oro, platino, uranio.

Dos patinadores artísticos giran sobre el hielo. Uno es ligero y cauteloso, apenas rota. El otro es masivo y veloz, gira con todas sus fuerzas y además en direcciones distintas. Más o menos así es el panorama que han dibujado las ondas gravitacionales de la fusión de agujeros negros.

En el espacio son frecuentes las parejas de agujeros negros que se fusionan, donde uno es notablemente más masivo que el otro. Esa diferencia de peso no es solo un número, sino la clave de su historia común.

En la familia de los restos superdensos de estrellas muertas, durante mucho tiempo hubo un vacío. Las estrellas de neutrones — rápidas peonzas del tamaño de una ciudad — rara vez superan las dos masas solares. Los agujeros negros comienzan aproximadamente en cinco masas solares. Y entre ellos hay un «vacío» donde durante décadas no se encontró ningún objeto.

El horizonte de un agujero negro suele dibujarse como una membrana unidireccional: todo cae hacia dentro, nada sale. Pero, ¿y si no fuera una frontera vacía, sino una nube de diminutos 'trocitos' del propio espacio-tiempo?

Dos agujeros negros vuelan uno hacia el otro y chocan de frente. En la imagen habitual, sus horizontes (las superficies de las que ni siquiera la luz puede escapar) se estiran mutuamente, como gotas de agua, y se fusionan en una figura lisa. Pero los cálculos muestran otra cosa: antes de la fusión, en cada horizonte se estira un pico afilado: una cúspide.