Descubren dos agujeros negros gigantes a punto de fusionarse en una galaxia lejana

Un equipo encabezado por Silke Britzen, del Instituto Max Planck de Radioastronomía, ha obtenido una prueba directa de dos agujeros negros supermasivos orbitando a muy corta distancia en la galaxia Markarian 501.

Esta observación, que se presenta como un hallazgo inédito, abre la posibilidad de analizar en tiempo real la etapa previa a la fusión de estos objetos, un proceso fundamental para comprender la formación y desarrollo de las galaxias, según la publicación en la revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

La identificación de este sistema aporta un dato clave que distingue este estudio: los dos agujeros negros supermasivos de Markarian 501 —cuyas masas oscilan entre 100 millones y mil millones de veces la del Sol— están separados por solo entre 250 y 540 unidades astronómicas (la distancia media entre la Tierra y el Sol), un rango extremadamente reducido para entidades de esta magnitud. Es la distancia más próxima documentada para un par de este tipo hallado hasta ahora.

La conjunción de observaciones de radio de alta resolución recopiladas durante veintitrés años permitió detectar no solo el potente chorro de partículas ya conocido en el centro de la galaxia Markarian 501, sino también la existencia de un segundo chorro con diferente orientación.

El equipo constató, a partir de cambios registrados en unas pocas semanas, que ese segundo flujo de partículas emerge detrás del agujero negro más masivo, describiendo un patrón que lo hace desplazarse en sentido opuesto a las agujas del reloj respecto a su compañero, una secuencia que se repite y define el movimiento relativo entre ambos.

La dinámica orbital y el proceso de fusión de agujeros negros supermasivos

Los registros detallados del comportamiento de ambos chorros pusieron en evidencia la danza orbital de estos cuerpos: los análisis de Britzen y su equipo arrojaron un período orbital de 121 días entre los dos agujeros negros en Markarian 501. Este dato —específico y sin precedentes en detección directa— permite inferir que, dependiendo de sus masas definitivas, la distancia orbital podría reducirse tan rápidamente que la fusión completa tendría lugar en apenas 100 años.

Esta investigación responde de manera inequívoca a la cuestión central: la existencia de un par de agujeros negros supermasivos en una fase de contacto orbital extremadamente próxima se ha confirmado en la galaxia Markarian 501, con órbitas de apenas 250 a 540 veces la distancia entre la Tierra y el Sol y periodos de revolución de 121 días, lo que permite prever una fusión en escalas temporales humanas si la tendencia se mantiene.

El resultado es un salto en la observación del ciclo de vida galáctico, ya que la acumulación de masa de agujeros negros supermasivos —presente en el centro de casi todas las galaxias grandes y fundamental para su evolución— depende, precisamente, de fusiones de este tipo.

El fenómeno observado no se limita a la dinámica de los chorros. Durante unas observaciones realizadas en junio de 2022, la radiación del sistema describió un patrón óptico con forma de anillo —denominado anillo de Einstein—, producto de la alineación perfecta del sistema con la Tierra y del efecto de lente gravitacional entre ambos agujeros negros. Esta particularidad óptica ofreció una validación adicional sobre la configuración y alineamiento de los cuerpos, reforzando la hipótesis de la binariedad.

Un proceso buscado durante décadas

Hasta ahora, pese a que las colisiones entre galaxias son frecuentes a escala cósmica y a que los modelos matemáticos predecían estos emparejamientos extremos, nunca se había documentado de manera confiable un sistema binario tan próximo de agujeros negros supermasivos. Los modelos teóricos, indica el estudio publicado por el equipo del Instituto Max Planck de Radioastronomía, aún contienen lagunas sobre cómo se desarrolla la fase orbital final, debido a dificultades tanto observacionales como conceptuales.

Britzen sintetizó la sorpresa del hallazgo al remarcar: “Lo buscamos durante mucho tiempo, y fue una completa sorpresa descubrir que no solo podíamos ver un segundo chorro, sino incluso rastrear su movimiento.” El conocimiento previo se limitaba a sistemas más distantes entre sí, y este resultado corrobora que la acumulación de masa por fusión —más allá de la absorción de gas ambiental, que resultaría demasiado lenta por sí sola— representa un mecanismo clave para que estos cuerpos adquieran su volumen colosal, millones o miles de millones de veces superior al del Sol.

Limitaciones técnicas y posibilidades futuras

Pese a la importancia de la detección, ni siquiera los instrumentos más avanzados como el Telescopio del Horizonte de Sucesos (EHT), responsable de las primeras imágenes directas de agujeros negros en 2019 y 2022, tienen resolución suficiente para distinguir ambos objetos por separado, dada la distancia entre Markarian 501 y la Tierra.

No obstante, la progresiva aproximación orbital tiene consecuencias observables. El sistema debería ser fuente emisora de ondas gravitacionales a frecuencias muy bajas, que pueden detectarse usando las técnicas de cronometraje de púlsares (PTA, por sus siglas en inglés). El European Pulsar Timing Array y otras colaboraciones internacionales identificaron en 2023 señales de fondo de ondas gravitacionales que podrían deberse, precisamente, a pares binarios de agujeros negros supermasivos similares a los de Markarian 501.

Con base en estas observaciones, el coautor Héctor Olivares señaló: “Si se detectan ondas gravitacionales, incluso podríamos ver cómo su frecuencia aumenta progresivamente a medida que los dos gigantes se acercan en espiral a la colisión, ofreciendo una oportunidad única de presenciar la fusión de dos agujeros negros supermasivos.” Esta variable hace de Markarian 501 el principal candidato para asociar, por primera vez, la emisión de ondas gravitacionales medidas mediante PTA a un sistema binario específico y conocido de agujeros negros supermasivos.

El fenómeno registrado en la galaxia Markarian 501, localizada en la constelación de Hércules, con sus dos chorros detectados tras un seguimiento sistemático de más de dos décadas en distintas frecuencias de radio, provee la imagen más nítida hasta la fecha de la etapa inmediata previa a la fusión de dos gigantescos agujeros negros.