En los últimos días, varios medios generalistas se han hecho eco de una noticia que, esta vez, no está inflando nada: un viejo rompecabezas sobre “agujeros negros imposibles” parece haber encontrado una explicación bastante convincente. El problema era sencillo de enunciar y muy difícil de cuadrar con la física conocida: se han observado agujeros negros con masas que, en teoría, no deberían existir en la naturaleza.

Detrás de los titulares hay un trabajo muy concreto, liderado por Ore Gottlieb y un equipo del Center for Computational Astrophysics del Instituto Flatiron, en Nueva York. El estudio, publicado en The Astrophysical Journal Letters bajo el título Spinning into the Gap: Direct-horizon Collapse as the Origin of GW231123 from End-to-End GRMHD Simulations, no solo se pregunta de dónde salen estos objetos “prohibidos”: reconstruye, con simulaciones numéricas muy detalladas, la vida y muerte de la estrella que pudo generarlos. Según el comunicado de prensa del propio Flatiron, la clave que faltaba en las cuentas eran los campos magnéticos, tratados hasta ahora como actores secundarios.

El problema de los agujeros negros “imposibles”

Todo arranca con una idea que, en astrofísica moderna, es casi un dogma: la llamada “brecha de masas” por inestabilidad de pares. Desde hace años, los modelos de evolución estelar indican que las estrellas muy masivas, cuando agotan su combustible, no siempre dejan un agujero negro como sobras del almuerzo cósmico. Si el núcleo alcanza ciertos rangos de masa, la estrella entra en un régimen de inestabilidad relativista (la famosa “pair-instability”), sufre una supernova tan violenta que se autodestruye por completo y no queda remanente: ni estrella de neutrones, ni agujero negro, nada.

Simplificando un poco: por debajo de cierta masa del núcleo puedes obtener un agujero negro “normal”; por encima de ese umbral, la inestabilidad de pares hace estallar la estrella y no queda nada; y si sigues subiendo más aún, en teoría podrías volver a tener agujeros negros, pero eso ya entra en territorios muy exóticos. El resultado es que debería existir un rango “vacío” de masas de agujeros negros estelares, aproximadamente entre 70 y 140 masas solares, donde no tendría que haber ejemplares nacidos directamente del colapso de una sola estrella.

El problema es que el universo, en su afición a llevarle la contraria a nuestros esquemas mentalmente ordenaditos, lleva un tiempo mostrando señales en contra. Desde que los detectores de ondas gravitacionales LIGO, Virgo y KAGRA empezaron a acumular catálogos de fusiones de agujeros negros, han aparecido repetidamente candidatos con masas dentro o muy cerca de esa brecha teórica. En un comunicado reciente, la colaboración LIGO–Virgo–KAGRA ya hablaba sin tapujos de “segundas generaciones” de agujeros negros, resultado de fusiones previas en cúmulos estelares densos, precisamente para explicar parte de esta población rara.

Pero el caso que dispara el estudio del Instituto Flatiron es especialmente extremo: el evento GW231123, una colisión registrada en 2023 entre dos agujeros negros muy masivos, que además giraban casi a la velocidad de la luz. Como ha explicado la propia Simons Foundation, estas fueron las rotaciones más rápidas vistas por LIGO hasta la fecha, y sus masas caían justo en el territorio “prohibido” por la teoría estándar.

La explicación fácil habría sido decir: “no pasa nada, son agujeros negros de segunda generación, formados por fusiones anteriores”. Pero ahí entra un detalle técnico: las fusiones son procesos tremendamente caóticos, que tienden a desordenar la rotación del agujero negro resultante. Que dos agujeros negros tan masivos y además tan bien “afilados” en su giro se formen simplemente como producto de una cadena de choques previos es estadísticamente muy poco probable, como recalcan tanto el comunicado del Simons Foundation como el análisis de AZoQuantum sobre el mismo trabajo.

En resumen: o bien la teoría de la inestabilidad de pares estaba incompleta, o bien nos estábamos perdiendo un ingrediente crucial en la receta de estos monstruos.

Lo que aporta el Instituto Flatiron: magnetismo en serio

Según el artículo técnico y las notas de prensa del Flatiron Institute, el grupo de Gottlieb decidió atacar el problema desde el principio: simular la historia completa de una estrella de 250 masas solares. La llevan desde el momento en que empieza a quemar hidrógeno hasta su colapso final en una supernova, siguiendo toda la evolución química y estructural de la estrella. Al final de su vida, esa estrella se ha “adelgazado” hasta unas 150 masas solares, quedando justo por encima de la brecha de masas: lo suficiente para formar un agujero negro, pero entrando en la zona crítica donde la teoría dice que debería estar prohibido.

La novedad no está solo en la potencia de cómputo, sino en lo que deciden incluir. Como subraya el propio Gottlieb en el comunicado difundido por EurekAlert!, los modelos anteriores habían “atajado el problema” ignorando los campos magnéticos o tratándolos de forma muy simplificada. Esta vez, el equipo se toma el magnetismo en serio y realiza simulaciones de magnetohidrodinámica relativista general (GRMHD), que modelan a la vez la gravedad extrema, el gas que cae y los campos magnéticos que lo atraviesan.

El resultado es bastante revelador. La imagen clásica decía: tras la supernova, todo el material circundante cae al agujero negro recién nacido, engordándolo hasta igualar (más o menos) la masa final de la estrella. Si no cabía en la teoría, mala suerte. En las nuevas simulaciones, en cambio, pasa otra cosa:

• Cuando la estrella progenitora rota rápidamente, el gas residual no cae en picado, sino que forma un disco de acreción alrededor del agujero negro.
• Ese disco está roscado por líneas de campo magnético.
• Los campos magnéticos ejercen presión sobre el disco y canalizan parte del gas hacia afuera en forma de chorros y vientos relativistas.

En los casos con campos magnéticos fuertes, las simulaciones del equipo muestran que hasta la mitad de la masa original de la estrella puede ser expulsada al espacio en lugar de terminar dentro del agujero negro. En otras palabras: el agujero negro final puede ser mucho menos masivo que la estrella que colapsó, descolgándose de la zona “prohibida” y cayendo justo dentro del rango de masas que observamos en eventos como GW231123.

Aquí está la jugada conceptual: no hace falta renunciar a la teoría de la inestabilidad de pares ni invocar cadenas muy rebuscadas de fusiones sucesivas. Basta con reconocer que los campos magnéticos y la rotación cambian el balance de masas de una forma que no se había incorporado bien en los modelos anteriores.

Una nueva relación entre masa y giro

Como insistía el equipo en la nota difundida por ScienceDaily, estos cálculos apuntan a algo más profundo que un truco para salvar un caso raro: parecen dibujar una relación sistemática entre la masa de un agujero negro y su velocidad de giro. Campos magnéticos más fuertes expulsan más material y frenan parcialmente la rotación, generando agujeros negros más pequeños y con giros moderados; campos más débiles dejan entrar más gas, produciendo agujeros negros más pesados que conservan un giro extremo.

Si este patrón se confirma con más datos, podríamos estar ante una especie de “ley de estado” para agujeros negros estelares: no cualquier combinación de masa y spin es igual de probable, porque ambas variables quedan atadas por la física conjunta de la rotación y el magnetismo durante el colapso. No es casual que, en paralelo, otros experimentos hayan ido revelando la importancia del magnetismo cerca de agujeros negros supermasivos, como en las observaciones polarimétricas del Event Horizon Telescope en M87*, donde también se prefiere un escenario con discos fuertemente magnetizados.

En el caso concreto de GW231123, el Instituto Flatiron y sus colaboradores proponen una narrativa coherente: una estrella extremadamente masiva y rotante, con campos magnéticos no demasiado intensos, colapsa y expulsa parte de su masa, pero no tanta como para sacar al agujero negro resultante de la brecha de masas. El remanente es un agujero negro muy pesado y que sigue girando casi a velocidad límite. Dos objetos de este tipo, en un entorno adecuado, pueden acabar encontrándose y fusionándose para producir la señal observada por LIGO–Virgo–KAGRA.

Más allá del caso GW231123: líneas de investigación abiertas

El trabajo del Instituto Flatiron no cierra el tema; más bien abre un menú de preguntas que la comunidad ya está empezando a masticar. Varios grupos teóricos llevan tiempo explorando otros caminos para poblar la brecha de masas: por ejemplo, fusiones repetidas de estrellas y agujeros negros en cúmulos estelares jóvenes y muy densos, donde los choques físicos entre estrellas masivas son relativamente frecuentes. Estudios publicados en Physical Review Letters y en instituciones como el Max Planck Institute for Astrophysics han mostrado que estos entornos pueden producir agujeros negros de masa intermedia a base de colisiones en cadena.

El nuevo resultado no invalida esos escenarios “dinámicos”, pero introduce un competidor serio: en algunos casos, no hace falta un cúmulo estelar especialmente violento ni varias generaciones de agujeros negros chocando entre sí. Bastaría una sola estrella muy masiva, girando rápido y con un campo magnético en el rango adecuado. Una parte de la población de agujeros negros “imposibles” podría tener este origen más directo.

Además, las simulaciones del grupo de Gottlieb predicen un subproducto observable: la formación de estos agujeros negros dentro de la brecha de masas debería ir acompañada de fogonazos de rayos gamma, generados por los chorros relativistas que expulsan el material. Según se recoge tanto en el comunicado del Simons Foundation como en el resumen de AZoQuantum, buscar esas huellas en los catálogos de estallidos de rayos gamma será una de las pruebas clave del modelo en los próximos años.

Por otro lado, el hecho de que el trabajo se haya realizado con simulaciones GRMHD “de extremo a extremo” —desde la estrella viva hasta el agujero negro final— marca un salto metodológico. Muchos modelos previos cortaban la película en la mitad: o bien simulaban solo la evolución estelar, o bien se concentraban exclusivamente en la acreción alrededor del agujero negro ya formado. El enfoque integrado del Instituto Flatiron permite seguir la película completa, y eso encaja bien con la tendencia actual en astrofísica computacional: menos “parches” y más historias completas, aunque cuesten millones de horas de CPU.

Un misterio resuelto… y un universo más raro de lo que parecía

Visto desde fuera, todo esto puede parecer un simple ajuste fino en una teoría muy especializada. Pero, como suele ocurrir con los agujeros negros, el diablo (y la belleza) están en los detalles. Lo que se está discutiendo aquí no es solo cuántos agujeros negros de 80 o 120 masas solares hay por ahí, sino qué tan bien entendemos la muerte de las estrellas más masivas, el papel del magnetismo en entornos extremos y la información que nos traen las ondas gravitacionales sobre procesos que no podemos ver con luz.

Si la interpretación de Gottlieb y sus colegas se confirma con futuras detecciones —nuevas fusiones en la brecha de masas, correlaciones entre masa y spin, posibles destellos de rayos gamma asociados—, los “agujeros negros imposibles” pasarán a la categoría de “agujeros negros exigentes”: no violan las leyes conocidas, solo nos obligan a incluir en el guion físico ingredientes que habíamos simplificado demasiado.

Y eso, en ciencia, es casi la mejor noticia posible: el universo sigue respetando las reglas… pero siempre encuentra formas creativas de explotarlas al límite.