Las últimas investigaciones muestran que el agujero negro más grande del universo probablemente no se formó por el colapso directo de una sola estrella masiva, sino que se construye "capa por capa" en lo profundo de un cúmulo de estrellas extremadamente poblado a través de una serie de fusiones violentas. Este estudio dirigido por la Universidad de Cardiff en el Reino Unido señaló que los agujeros negros más pesados en las observaciones astronómicas de ondas gravitacionales pertenecen a un grupo independiente, y su historia de nacimiento se parece más a un "árbol genealógico de agujeros negros multigeneracional" que al final de la evolución de las estrellas ordinarias.
El equipo de investigación científica analizó sistemáticamente la cuarta edición del Catálogo transitorio de ondas gravitacionales (GWTC-4) publicado por la colaboración LIGO-Virgo-KAGRA, que incluía 153 eventos de fusión de agujeros negros altamente creíbles. Los investigadores prestaron especial atención a los agujeros negros más masivos de la muestra para comprobar si son productos de la "segunda generación" o incluso de "generaciones" superiores, es decir, los primeros agujeros negros se fusionaron en densos cúmulos de estrellas para generar agujeros negros más masivos, y estos agujeros negros colisionaron y se fusionaron nuevamente durante la evolución posterior, y continuaron ganando peso. En este tipo de cúmulo estelar denso, la densidad espacial de estrellas y objetos compactos puede ser un millón de veces mayor que la de las proximidades del Sol, proporcionando un escenario natural para las "fusiones en serie" de agujeros negros.
Los resultados de la investigación se publicaron en el último número de "Nature Astronomy". Las características estadísticas proporcionadas en el artículo muestran que el grupo de agujeros negros más pesado observado por ondas gravitacionales muestra diferencias obvias en la distribución de masa y espín de los agujeros negros formados por el colapso de estrellas ordinarias, y debe considerarse como un grupo independiente formado por fusiones jerárquicas. En otras palabras, las ondas gravitacionales no sólo están "contando" los eventos de colisión de agujeros negros, sino que también están comenzando a revelar cómo y dónde crecen los agujeros negros y, a la inversa, limitan la teoría de la evolución de las estrellas masivas y los cúmulos de estrellas.
Mediante modelado y análisis detallados de señales de ondas gravitacionales, los investigadores separaron dos poblaciones principales de agujeros negros en la muestra: una es un agujero negro de menor masa, cuyas propiedades son básicamente consistentes con el modelo tradicional de colapso estelar; el otro es un agujero negro de masa significativamente mayor, cuyas características de giro son totalmente consistentes con las expectativas de experimentar múltiples fusiones jerárquicas en densos cúmulos estelares. El estudio del giro de los agujeros negros de alta calidad es particularmente crítico porque el tamaño y la dirección del giro registran la historia de fusiones de sus agujeros negros predecesores.
El artículo señala que los espines de los grupos de agujeros negros de alta calidad no sólo son generalmente más rápidos, sino que también tienen una distribución casi aleatoria de direcciones de espín, que es completamente diferente del estado de espín "ordenado alineado" en la evolución típica de las estrellas binarias. Esto sorprendió al equipo de investigación y aumentó enormemente la credibilidad del "origen de los densos cúmulos estelares". En comparación con catálogos de ondas gravitacionales anteriores, más pequeños y anteriores, los sistemas de alta calidad de este análisis "saltan" más claramente en el espacio de parámetros, lo que refuerza la idea de que pertenecen a un grupo independiente.
Además de delinear el camino de crecimiento de los monstruosos agujeros negros, esta investigación también proporciona una de las pruebas observacionales más sólidas hasta la fecha de una predicción de larga data en astrofísica: la "brecha de masa" de los agujeros negros. La teoría es que las estrellas extremadamente masivas sufrirán un violento proceso de inestabilidad de pares antes de morir, explotando violentamente y destruyéndose por completo, sin dejar más restos de agujeros negros. Esto significa que dentro de un cierto rango de masas, las estrellas no deberían producir directamente agujeros negros, formando una "zona prohibida".
El equipo de investigación encontró signos de esta transición en la muestra: alrededor de 45 masas solares, la distribución de los agujeros negros cambió significativamente. Fabio Antonini, autor principal del artículo, dijo que vieron evidencia en los datos de una "brecha de masa de inestabilidad" pronosticada desde hace mucho tiempo: un rango de masa en el que no se espera que las estrellas dejen agujeros negros. Sin embargo, los detectores de ondas gravitacionales han descubierto con éxito agujeros negros en o cerca de esta brecha, concentrados en aproximadamente 45 masas solares. Esto plantea una pregunta clave: ¿estos agujeros negros desafían los modelos existentes de evolución estelar, o simplemente no se formaron directamente a partir de una sola estrella, sino que se "construyeron" a través de otro camino: fusiones jerárquicas?
La investigación muestra que en la muestra actual, la información transportada por los agujeros negros más masivos apunta más a los efectos dinámicos de los cúmulos de estrellas, que solo a la evolución de estrellas individuales. Cuando la masa de un agujero negro supera las 45 masas solares, su distribución de giro cambia repentinamente de manera significativa. Esto es difícil de explicar a través de la evolución de las estrellas binarias ordinarias, pero puede entenderse naturalmente porque "estos agujeros negros han experimentado múltiples rondas de fusiones en densos cúmulos de estrellas". Esto respalda aún más la idea de que los monstruosos agujeros negros se apilan y crecen de generación en generación en lo profundo de los cúmulos estelares.
El trabajo también vincula la astronomía de ondas gravitacionales con los procesos de física nuclear dentro de las estrellas. El equipo utilizó el punto de inflexión cercano a la brecha de masa para inferir una reacción nuclear clave involucrada en la quema de helio de estrellas masivas, proporcionando así una nueva forma de estudiar los procesos nucleares en lo profundo del núcleo de las estrellas. Los investigadores dijeron que con la acumulación de observaciones de ondas gravitacionales en el futuro, los científicos podrían ser capaces de inferir de manera inversa la compleja cadena de reacción nuclear dentro de la estrella a través de la forma fina de la distribución de masa y la brecha de masa del agujero negro.
El coautor del artículo Fani Dosopoulu y otros señalaron que el llamado límite superior de masa establecido "para la inestabilidad" depende directamente de las reacciones nucleares específicas que ocurren en el núcleo de las estrellas masivas. Por lo tanto, la acumulación continua de datos sobre ondas gravitacionales no sólo reescribirá nuestra comprensión de las poblaciones de agujeros negros, sino que también puede convertirse en un nuevo "laboratorio" experimental para estudiar la física nuclear. Para el universo, cada fusión de agujeros negros es un evento violento y de corta duración, pero con la ayuda de la "audición" de ondas gravitacionales, los humanos están utilizando estas vibraciones momentáneas para reconstruir la larga historia de monstruosos agujeros negros que crecen silenciosamente en las profundidades del universo.