Astrónomos resuelven el misterio del agujero negro supermasivo errante RBH-1

En septiembre de 2022, los astrónomos detectaron algo sin precedentes: una delgada línea de luz que se extendía más de 202.000 años luz desde el centro de una galaxia situada a 7.500 millones de años luz de la Tierra. En el extremo de esa estela brillante viajaba una estructura compacta, sin estrellas visibles, moviéndose a través del espacio intergaláctico a casi 1.000 kilómetros por segundo. Donde pasaba, nacían nuevas estrellas. Los investigadores la llamaron RBH-1 y comprendieron que se trataba de un agujero negro supermasivo que había sido expulsado violentamente de su galaxia de origen.

Ahora, un equipo dirigido por astrónomos de la Universidad de California en Santa Bárbara ha resuelto el misterio de cómo ocurrió esa expulsión. Utilizando datos del telescopio espacial Hubble y del James Webb, rastrearon RBH-1 hasta su punto de origen y reconstruyeron el evento cataclísmico que la puso en movimiento: la fusión de dos agujeros negros hace aproximadamente 7.500 millones de años. Los resultados, publicados en Physical Review Letters, representan la primera reconstrucción observacional de este tipo de evento y abren nuevas vías para entender las ondas gravitacionales que genera.

Tousif Islam, profesor de Matemáticas en el Instituto Kavli de Física Teórica de la UCSB y autor principal del estudio, dirigió un análisis exhaustivo que simuló cientos de miles de pares hipotéticos de agujeros negros. El equipo calculó el retroceso gravitacional que cada combinación habría producido, luego descartó todas las simulaciones que no coincidían con la velocidad observada de RBH-1. Lo que emergió fue un retrato preciso de los agujeros negros progenitores: tenían masas parecidas, siendo el más masivo apenas seis veces más pesado que su compañero. Ambos giraban a velocidades extremas, con ejes de rotación desalineados. El miembro más pesado rotaba al 70-75% del máximo permitido por la relatividad general, con un giro inclinado y oscilante.

Este nivel de extremo fue sorprendente incluso para los investigadores. Tejaswi Venumadhav, profesor asociado de Física en la UCSB y coautor del estudio, explicó que la configuración parecía casi improbable hasta que comprendió que tenía que ser así para producir la estructura espectacular que los telescopios modernos podían captar. La física subyacente es elegante: cuando dos objetos masivos con espines desalineados se fusionan, las ondas gravitacionales resultantes no se irradian uniformemente en todas direcciones. En cambio, se concentran en una dirección, creando un retroceso que impulsa el agujero negro recién formado a través del espacio.

El análisis de los espines reveló también que las dos galaxias progenitoras no tenían sus rotaciones alineadas, y que una era más grande que la otra. El equipo concluyó que la fusión galáctica que originó este evento ocurrió hace aproximadamente 70 millones de años, cuando dos galaxias colisionaron y sus agujeros negros centrales se acercaron lo suficiente para fusionarse. La galaxia resultante, a la que los investigadores denominaron GX, aún conserva cicatrices visibles de esa colisión.

Lo que hace este descubrimiento particularmente significativo es que confirma una predicción teórica que los astrónomos habían hecho durante años. La relatividad general predice que entre el 5% y el 10% de las fusiones galácticas expulsarán el agujero negro supermasivo resultante, pero hasta ahora nadie había observado este proceso en acción. RBH-1 es la primera evidencia directa de que estas expulsiones realmente ocurren en el universo.

El hallazgo abre un nuevo capítulo en la astrofísica de las ondas gravitacionales. Durante más de una década, los investigadores han estudiado las ondas producidas por fusiones de agujeros negros, predichas originalmente por la teoría de la relatividad general de Einstein como ondulaciones en el espacio-tiempo detectables a millones de años luz. Sin embargo, la mayoría de los estudios se han enfocado en agujeros negros de masa estelar o intermedia. Las fusiones de agujeros negros supermasivos producen ondas gravitacionales de frecuencia mucho menor, lo que las hace más difíciles de detectar pero potencialmente más ricas en información sobre la evolución de las galaxias.

Este descubrimiento también ilumina cómo evolucionaron los agujeros negros supermasivos en el universo. Las observaciones recientes del James Webb han mostrado que agujeros negros masivos aparecieron sorprendentemente rápido en el universo temprano, menos de 1.000 millones de años después del Big Bang. Pero cuando RBH-1 se formó hace 7.500 millones de años, las galaxias vecinas ya albergaban agujeros negros supermasivos que habían crecido a través de procesos de consolidación gradual. Esto sugiere que el evento que creó RBH-1 fue parte de un proceso dinámico de fusiones galácticas que continuó moldeando el universo durante miles de millones de años. Los investigadores ahora tienen una base sólida para estudios futuros que combinen la física de las ondas gravitacionales con las fusiones galácticas que las generan, una tarea compleja pero potencialmente transformadora para la comprensión del cosmos.