Fusión de agujeros negros supermasivos: qué ocurre y por qué importa

A unos 500 millones de años luz de la Tierra, dos agujeros negros supermasivos están ejecutando un baile orbital que terminará en colisión. Según datos publicados en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, el sistema binario en la galaxia Markarian 501 podría fusionarse en menos de 100 años. La señal que dejaría esa unión —ondas gravitacionales de una intensidad sin precedentes— sería detectable desde nuestro planeta.

Este hallazgo no es solo una curiosidad astronómica. Redefine lo que sabemos sobre cómo se forman y crecen las galaxias, y empuja los límites de lo que los detectores terrestres podrán medir en las próximas décadas.

Qué son los agujeros negros supermasivos y cómo se forman los pares

Los agujeros negros supermasivos son un tipo de objeto compacto con masas de millones o miles de millones de veces la del Sol. Según la doctora Anna Lía Longinotti, investigadora del Instituto de Astronomía de la UNAM, estos colosos "viven en el centro de las galaxias" y el de la Vía Láctea tiene una masa de aproximadamente seis millones de soles.

Cuando dos galaxias colisionan —algo que ocurre con frecuencia en escalas cósmicas—, sus agujeros negros centrales terminan orbitando uno alrededor del otro. El par pierde energía de forma gradual a través de interacciones gravitacionales con el gas y las estrellas circundantes, hasta que la separación se vuelve tan pequeña que las ondas gravitacionales dominan el proceso y los objetos se funden.

La escala temporal de este proceso puede durar millones de años. El caso de Markarian 501 es inusual precisamente porque los cálculos apuntan a una fusión en un plazo de décadas, no de milenios.

El caso Markarian 501: un sistema doble oculto a plena vista

Durante años, los astrónomos catalogaron el objeto en Markarian 501 como un blázar: el núcleo activo de una galaxia alimentado por un único agujero negro con un chorro de energía orientado casi directamente hacia la Tierra. Sin embargo, algo no cuadraba. La forma del chorro cambiaba de maneras que un solo objeto no podía explicar.

El equipo de investigación analizó más de 80 conjuntos de datos obtenidos por una red internacional de radiotelescopios. El resultado fue contundente: no hay un chorro, hay dos. El segundo flujo de energía gira en sentido contrario alrededor del centro del sistema, lo que indica que cada uno está impulsado por un agujero negro distinto.

"Darse cuenta de que había un segundo motor a reacción fue increíble", declaró Silke Britzen, coautora del estudio y astrónoma del Instituto Max Planck de Radioastronomía, a BBC Science Focus.

Ambos objetos tienen masas estimadas de entre 100 millones y 1.000 millones de veces la del Sol. Orbitan uno alrededor del otro cada 121 días —una separación astronómicamente pequeña— y se aproximan de manera constante.

El anillo de Einstein como evidencia adicional

En 2022 se registró un evento que reforzó la hipótesis del sistema binario: la alineación de ambos agujeros negros generó un anillo de Einstein. Este fenómeno ocurre cuando la gravedad de un objeto masivo actúa como una lente que curva y amplifica la luz de un objeto situado detrás. Que se haya formado implica que la geometría del sistema es exactamente la que predice el modelo de dos objetos distintos, y no uno solo.

Qué ocurre físicamente durante una fusión de agujeros negros supermasivos

La colisión no se parece a nada en física convencional. No hay explosión visible, no hay fragmentos. Lo que ocurre es una reorganización violenta del espacio-tiempo.

En la fase final, los dos horizontes de sucesos se tocan y se fusionan en uno solo. El nuevo agujero negro resultante hereda la masa combinada de ambos predecesores, menos la energía que fue irradiada en forma de ondas gravitacionales. Según los modelos, esa pérdida puede representar hasta el 5% de la masa total del sistema —una cantidad de energía que supera con creces todo lo que el Sol irradiará durante su vida entera.

Después de la fusión, el agujero negro resultante puede quedar con un momento angular neto. Si los dos predecesores no giraban exactamente en el mismo plano, el producto final recibirá un "empuje" gravitacional —conocido como recoil— que puede llegar a expulsarlo parcialmente del centro galáctico.

Ondas gravitacionales: la señal que llegará a la Tierra

El 11 de febrero de 2016, las colaboraciones LIGO, Virgo y GEO600 anunciaron la primera detección de ondas gravitacionales producidas por la fusión de dos agujeros negros de masa estelar a unos 1.337 millones de años luz, según consta en Wikipedia. Ese evento abrió una nueva ventana observacional sobre el universo.

Las ondas gravitacionales generadas por la fusión en Markarian 501 serán de una naturaleza distinta. Los agujeros negros supermasivos emiten señales en frecuencias mucho más bajas que los de masa estelar. Esas frecuencias están por debajo del rango de sensibilidad de LIGO y Virgo, pero serían detectables por el futuro Laser Interferometer Space Antenna (LISA), un observatorio espacial de la Agencia Espacial Europea cuyo lanzamiento está previsto para la década de 2030.

También entra en juego la red de Pulsar Timing Arrays (PTA), que usa pulsares distribuidos por la galaxia como un detector gravitacional de escala cósmica. En 2023, múltiples colaboraciones de PTA reportaron indicios de un fondo de ondas gravitacionales de baja frecuencia, posiblemente generado por miles de sistemas binarios de agujeros negros supermasivos similares al de Markarian 501.

¿Representa algún peligro para la Tierra?

No. Las ondas gravitacionales que lleguen desde Markarian 501 serán infinitesimalmente pequeñas al alcanzar nuestro planeta. El evento no producirá ningún efecto físico perceptible sobre la Tierra, la Luna ni el Sistema Solar. El interés es puramente científico: registrar y analizar esas ondas permitiría medir las propiedades de los dos agujeros negros con una precisión sin precedentes.

Por qué este evento importa más allá de Markarian 501

Los pares de agujeros negros supermasivos son una predicción central de los modelos de formación y evolución de galaxias. Sin embargo, detectarlos ha resultado extraordinariamente difícil. Markarian 501 ofrece una oportunidad única: un sistema con un período orbital corto, una geometría favorable y suficiente historial de observaciones como para construir modelos detallados.

Si las estimaciones de tiempo se confirman, la fusión ocurrirá dentro de la vida útil de los instrumentos que hoy están en construcción. Eso significa que —por primera vez— la humanidad podría observar una fusión de agujeros negros supermasivos en tiempo casi real, desde la fase de inspiral hasta el momento del contacto, con múltiples telescopios y detectores de ondas gravitacionales trabajando en simultáneo.

El Gran Telescopio Milimétrico (GTM) en México, ubicado a 4.600 metros de altura en la Sierra Negra de Puebla, ya participó en el proyecto que obtuvo la primera imagen de la sombra de un agujero negro en 2019. Instalaciones como esa serán parte de la red de observación que monitoree el sistema en los próximos años.

Preguntas frecuentes sobre la fusión de agujeros negros supermasivos

¿Cuándo ocurrirá exactamente la fusión en Markarian 501?

Los investigadores estiman que en menos de 100 años, aunque el margen de incertidumbre es amplio. El cálculo depende de cuánta energía pierden los objetos por interacción con el entorno. No hay una fecha precisa: es una estimación basada en los modelos disponibles a partir de los datos publicados en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

¿Cómo se detectan los agujeros negros supermasivos binarios?

Las técnicas principales incluyen el análisis de variabilidad periódica en la emisión de luz, la interferometría de muy larga base (VLBI) con redes de radiotelescopios, y la búsqueda de anillos de Einstein. El caso de Markarian 501 combinó las tres: la variabilidad llevó a la sospecha, los radiotelescopios confirmaron el segundo chorro y la alineación generó el anillo.

¿Qué detectores podrían capturar las ondas gravitacionales de este evento?

Los detectores actuales como LIGO y Virgo no son sensibles a las frecuencias que genera la fusión de objetos tan masivos. El candidato principal es LISA, el observatorio espacial de la ESA previsto para los años 2030. Los Pulsar Timing Arrays también son candidatos para detectar la señal acumulada de sistemas similares.

¿La fusión creará un agujero negro más grande?

Sí. El resultado será un único agujero negro supermasivo con una masa cercana —pero no igual— a la suma de los dos predecesores. La diferencia corresponde a la energía liberada como ondas gravitacionales. Dependiendo del momento angular relativo de ambos objetos, el agujero negro resultante podría recibir un impulso que lo desplace respecto al centro de la galaxia.