Un equipo internacional de astrofísicos, con participación de canadienses del Instituto Canadiense de Astrofísica Teórica (CITA), ha confirmado la existencia de un tipo raro de explosión estelar que destruye en su totalidad las estrellas más masivas sin dejar agujeros negros, según un estudio publicado en la revista Nature. La investigación, basada en datos de ondas gravitacionales, resuelve el misterios de décadas sobre por qué no existen agujeros negros con masas superiores a 45 veces la del sol formados directamente por estrellas.
Los investigadores del CITA y la Universidad de Toronto, la profesora asistente Maya Fishbach y los becarios postdoctorales Amanda Farah y Aditya Vijaykumar, formaron parte del equipo internacional que descubrió evidencia de supernovas de inestabilidad de pares, uno de los eventos más cataclísmicos del universo, según informó la Universidad de Toronto.
El estudio, liderado por Hui Tong, estudiante de doctorado de la Universidad Monash en Australia y del Centro de Excelencia ARC para el Descubrimiento de Ondas Gravitacionales (OzGrav), utilizó datos de la red de observatorios LIGO-Virgo-KAGRA para medir las propiedades de agujeros negros en el “rango prohibido” de más de 45 masas solares, confirmando predicciones teóricas formuladas en la década de 1960.
Al final de sus vidas, la mayoría de las estrellas masivas colapsan formando agujeros negros, objetos con gravedad tan intensa que ni siquiera la luz puede escapar. Teóricamente, las estrellas más masivas del universo deberían colapsar para formar los agujeros negros más masivo. Sin embargo, algunas estrellas extremadamente grandes se calientan tanto que son destruidas en una supernova de de inestabilidad de pares, una explosión tan intensa que aniquila completamente la estrella sin dejar núcleo que pueda colapsar en un agujero negro, según indicó el equipo de investigadores.
Tong expuso que el análisis de señales de ondas gravitacionales (ondulaciones en el tejido del espacio-tiempo) detectadas por el observatorio LIGO-Virgo-KAGRA proporcionó evidencia de la existencia del rango de masa prohibido donde las estrellas aparentemente no forman agujeros negros.
“La observación se explica bien por la inestabilidad de pares; no hay agujeros negros de origen estelar en la zona prohibida porque las estrellas están experimentando supernovas de inestabilidad de pares. Los únicos agujeros negros en este rango de masa se forman por la fusión de agujeros negros más pequeños, en lugar de directamente desde estrellas”, agregó.
Confirmar la existencia de esta brecha ayudaría a resolver una pregunta fundamental sobre cómo viven y mueren las estrellas más masivas y el origen de los agujeros negros.
Fishbach, colaboradora del proyecto en la Universidad de Toronto y CITA, mencionó que el estudio destaca el potencial de las ondas gravitacionales para investigar las vidas, muertes y “vidas posteriores” de las estrellas más masivas del universo.
“Estamos viendo evidencia indirecta de una de las explosiones más titánicas del cosmos: las supernovas de inestabilidad de pares. Al mismo tiempo, estamos descubriendo que una vez que nacen, los agujeros negros pueden crecer mediante fusiones repetidas”, añadió.
Predichas por primera vez en la década de 1960, las supernovas de inestabilidad de pares son difíciles de distinguir de explosiones estelares más comunes que sí dejan agujeros negros. Farah, becaria postdoctoral de CITA y coautora del estudio, comentó que raramente se observan estos tipos de explosiones en tiempo real.
“Es asombroso que podamos observar sus huellas duraderas tan claramente en los datos de ondas gravitacionales. Estas huellas —los agujeros negros que las supernovas de inestabilidad de pares no logran dejar atrás— ya nos están enseñando sobre física nuclear. Esta fue una de las promesas tempranas de la astronomía de ondas gravitacionales, y es muy emocionante ver esa promesa cumplida hoy”, dijo.
Vijaykumar, otro becario postdoctoral de CITA y coautor, considera que estos nuevos hallazgos representan un paso importante en la investigación de ondas gravitacionales.
“El impacto de este trabajo ya se está sintiendo en toda la comunidad. Ya ha generado una ola de investigación de seguimiento, y ahora hay múltiples líneas de evidencia que sugieren que algunas fusiones de agujeros negros involucran componentes nacidos en colisiones anteriores. Se cree que tales fusiones de agujeros negros se producen en regiones del universo que albergan una densa multitud de estrellas, y estoy emocionado por todo lo que aprenderemos sobre estos entornos en el futuro. ¡Es un momento fascinante para nuestro campo!”, puntualizó.
El estudio confirma que los agujeros negros con masas superiores a 45 veces la del sol resultan de fusiones previas de agujeros negros, en el lugar del colapso de estrellas moribundas excepcionalmente masivas, estableciendo un nuevo entendimiento sobre la información y evolución de estos objetos cósmicos.