Lejos, en las profundidades del espacio, dos agujeros negros se acercan en espiral y se fusionan. Las potentes ondas gravitacionales de esa danza de la muerte recorren el cosmos hasta que sus ondas llegan a tres gigantescos detectores en la Tierra: dos del Observatorio de Ondas Gravitacionales del Interferómetro Láser (LIGO), con sede en Estados Unidos, y el detector europeo Virgo, en Italia.

Los detectores han detectado decenas de cataclismos de este tipo en los últimos 5 años, pero el del 21 de mayo de 2019 fue diferente. No solo fue la fusión más potente y distante jamás vista, sino que el agujero negro resultante también pertenece a una clase de agujeros negros de peso medio largamente buscados, informan hoy los miembros de la colaboración LIGO-Virgo en dos nuevos estudios. Sin embargo, los dos agujeros negros fusionados son más pesados de lo esperado: Sus masas se sitúan en una franja en la que los teóricos creen que es imposible crear un agujero negro por la vía habitual de una estrella en colapso.

Los agujeros negros de clase estelar suelen crearse cuando una gran estrella se queda sin su combustible nuclear y se detiene el agitado motor de luz y calor. Sin esa presión exterior, las capas externas de la estrella se colapsan bajo la gravedad, desencadenando una colosal supernova y dejando atrás un agujero negro. Pero en las estrellas más grandes, el colapso es aún más catastrófico, provocando una explosión termonuclear desbocada que destruye la estrella y no deja nada detrás. Teóricamente, eso significa que debería haber un límite en la masa de los agujeros negros a unas 65 masas solares.

Hasta mayo de 2019, las fusiones de agujeros negros detectadas por LIGO y Virgo apoyaban en gran medida ese límite de masa. Entonces llegó el evento conocido como GW190521, que duró apenas una décima de segundo. No fue detectado por los algoritmos habituales que escanean las fusiones binarias (que suelen durar varias veces más), sino que fue recogido por una tubería separada que busca «cosas que explotan», dice Nelson Christensen, físico del Observatorio de la Costa Azul en Niza y miembro del equipo de LIGO-Virgo.

Aunque la señal era corta -sólo cuatro ciclos de onda ascendente y descendente- el equipo pudo analizarla, analizando su amplitud, su forma y cómo cambiaba su frecuencia con el tiempo. «Era muy difícil de interpretar», afirma Alessandra Buonanno, miembro del equipo y directora del Instituto Max Planck de Física Gravitacional (Instituto Albert Einstein). «Pasamos mucho tiempo convenciéndonos de que debíamos confiar en lo que habíamos encontrado».

En dos artículos publicados hoy -uno en el que se describe la detección en Physical Review Letters y otro en el que se interpretan los datos en The Astrophysical Journal Letters- el equipo conjunto LIGO-Virgo afirma que el modelo que mejor se ajusta a los datos es el de dos agujeros negros -de unas 66 y 85 masas solares- que se fusionan en un agujero negro de 142 soles. Las ocho masas solares restantes se habrían convertido en energía de ondas gravitacionales. «Era bastante más grande que todo lo que habíamos visto», afirma Christensen.

Un agujero negro con 142 masas solares lo sitúa instantáneamente en una clase propia. Mientras que los astrónomos conocen desde hace tiempo la existencia de agujeros negros más pequeños y de gigantes en los centros galácticos formados por millones o miles de millones de soles, los de tamaño medio -de 100 a 100.000 masas solares- han brillado por su ausencia. Los astrónomos creen que son necesarios como bloques de construcción para los agujeros negros supermasivos, y hay pruebas indirectas de su existencia, pero éste puede ser el avistamiento más convincente hasta ahora, aunque justo en la parte inferior del rango. «Esto es sólo un indicio de que hay algo en este rango de masas», dice el astrofísico Avi Loeb, de la Universidad de Harvard, que no participó en el estudio.

Tal vez sea más interesante para los astrofísicos el origen de los dos agujeros negros en fusión. El más ligero está justo en la cúspide de la brecha de masa, por lo que bien podría haberse formado a partir de una única estrella gigantesca. Pero 85 masas solares son difíciles de explicar. «Es emocionante porque es inesperado», dice Loeb. «La brecha de masa era robusta, pero ahora la puerta está abierta a nuevos modelos».

En su documento interpretativo, el equipo analizó muchas explicaciones posibles. Los agujeros negros podrían ser primordiales, habiendo permanecido desde la vorágine del universo primitivo antes de que nacieran las primeras estrellas. O podrían haber sido agujeros negros pequeños, con una fusión que se magnificó por la lente gravitacional. O tal vez -de forma más exótica- las ondulaciones procedieran de cuerdas cósmicas, hipotéticos defectos en el vacío que quedaron del big bang. Pero ninguna de estas explicaciones se ajustaba a los datos tan bien como un par de pesos pesados en fusión. Así que el equipo recurrió a la «vieja navaja de Occam», dice Christensen: La explicación más sencilla es probablemente la correcta.

Loeb cree que los pesos pesados son probablemente «multigeneracionales», en los que los agujeros negros más pequeños en zonas densas de formación estelar se fusionan varias veces para producir masas por encima del límite. Las galaxias suelen estar rodeadas de densos grupos de estrellas llamados cúmulos globulares. Éstos pueden contener cientos de miles de estrellas antiguas: un caldo de cultivo ideal para los agujeros negros. A medida que los agujeros negros se hunden hacia el centro del cúmulo globular, es más probable que se fusionen con otros. «Estos entornos están especializados, por lo que sólo los estamos encontrando ahora», dice, después de que LIGO y Virgo hayan detectado más de 60 fusiones.

Pero es probable que los cúmulos contengan agujeros negros de distintas masas, y las fusiones asimétricas producen explosiones que pueden expulsar al nuevo agujero negro del cúmulo hasta 1000 kilómetros por segundo. Para que los cúmulos sean viveros de agujeros negros en la brecha de masa, los retrocesos deben ser bajos y los cúmulos deben ser lo suficientemente masivos como para evitar que se escapen, dice Loeb.

LIGO y Virgo se están actualizando y están preparados para reiniciar las observaciones en 2022 con una mayor sensibilidad, lo que les permitirá estudiar tres veces más el cosmos. Encontrar más fusiones de este tipo de pesos pesados «nos enseñará sobre la astrofísica de estas guarderías estelares», afirma Loeb. «Cuantos más eventos tengamos, más pistas sobre sus orígenes».