Esta colisión imposible entre un agujero negro y una estrella de neutrones no encaja con lo que dicen los libros de texto

Un análisis más preciso de una señal cósmica conocida revela un detalle inesperado que obliga a replantear cómo nacen algunos de los sistemas más extremos del universo.

Publicado por Eugenio M. Fernández Aguilar

Físico, escritor y divulgador científico

Ilustración artística de la fusión entre un agujero negro y una estrella de neutrones, reconstruida a partir de modelos científicos, ya que estos fenómenos no pueden captarse con imágenes directas. Fuente: ChatGPT

Las colisiones entre objetos extremos del universo, como agujeros negros y estrellas de neutrones, son algunos de los fenómenos más energéticos que se conocen. No se observan directamente con telescopios tradicionales, sino a través de las ondas gravitacionales, pequeñas vibraciones del espacio-tiempo que se propagan tras estos eventos. Desde que se detectaron por primera vez, han permitido reconstruir cómo son estos sistemas y, sobre todo, cómo evolucionan antes de fusionarse.

Un nuevo análisis de una de estas señales, conocida como GW200105, ha puesto en cuestión algunas ideas que se daban por asentadas. El estudio, basado en modelos más completos que combinan distintos efectos físicos, propone una lectura diferente de los datos. Según los propios autores, este tipo de análisis permite acceder a información clave sobre el origen de estos sistemas, algo que hasta ahora seguía siendo uno de los grandes interrogantes de la astrofísica moderna.

Qué se esperaba según los modelos clásicos

En los modelos más aceptados, los sistemas formados por una estrella de neutrones y un agujero negro nacen a partir de dos estrellas masivas que evolucionan juntas. Con el tiempo, ambas colapsan, y el sistema resultante queda ligado gravitacionalmente. En este escenario, las interacciones internas y la emisión de ondas gravitacionales hacen que la órbita se vuelva cada vez más circular.

Este proceso no es un detalle menor. La teoría predice que, mucho antes de que estos objetos entren en la fase final detectable por los instrumentos actuales, su movimiento debería ser prácticamente circular. El propio artículo científico lo resume de forma clara al señalar que “la excentricidad orbital es inconsistente con la evolución aislada, que predice que los sistemas se circularizan rápidamente mucho antes de entrar en la banda de detección” .

Por eso, durante años, los análisis de señales gravitacionales han asumido esa circularidad como punto de partida. No era una simplificación arbitraria, sino una consecuencia directa de los modelos físicos. Sin embargo, esa suposición también implicaba un riesgo: si la órbita no era exactamente como se esperaba, los resultados podían estar sesgados.

Distribución de probabilidad de la excentricidad orbital medida en el evento GW200105. Fuente: The Astrophysical Journal Letters

Cómo se analiza una señal de ondas gravitacionales

Cuando un detector como LIGO o Virgo registra una señal, no “ve” directamente los objetos. Lo que obtiene es un patrón de vibración que debe compararse con miles de modelos teóricos. Cada uno de esos modelos representa una posible combinación de masas, giros y tipos de órbita.

En este trabajo, los investigadores utilizaron por primera vez un modelo que incorpora simultáneamente dos efectos clave: la precesión (un cambio en la orientación del sistema debido al giro) y la excentricidad (la desviación respecto a una órbita circular). Esta combinación es importante porque ambos fenómenos pueden confundirse entre sí si no se analizan juntos.

El propio artículo subraya la relevancia de este enfoque al indicar que “es fundamental que ambos efectos se incluyan en el análisis para una medición precisa de las propiedades de la fuente”. Para lograrlo, se emplearon técnicas estadísticas avanzadas que comparan los datos reales con modelos teóricos, evaluando cuál encaja mejor con la señal observada.

Además, el evento GW200105 es especialmente adecuado para este tipo de análisis porque está dominado por la fase previa a la colisión, donde estos efectos dejan una huella más clara en la señal.

El dato que cambia la interpretación

Al aplicar este nuevo modelo, los investigadores encontraron algo que no encaja con las expectativas tradicionales: la órbita no era circular. De hecho, el análisis indica una excentricidad significativa incluso en fases muy cercanas a la colisión.

El resultado central del estudio es explícito: “inferimos una excentricidad orbital media de e20 ∼ 0,145 [una medida de cuánto se aleja la órbita de ser circular] [...] descartando excentricidades menores que 0,028 con un 99,5% de confianza”.

Este hallazgo es relevante porque rompe con la predicción de que estos sistemas deberían haber perdido esa excentricidad mucho antes. Además, el estudio muestra que otros eventos similares no presentan este comportamiento, lo que refuerza la idea de que no se trata de un error sistemático.

También se comprobó que este resultado no puede explicarse por ruido en los datos ni por limitaciones del modelo. La probabilidad de que una señal circular parezca excéntrica por efecto del ruido es muy baja, del orden de 2,3 × 10⁻⁴, según las pruebas realizadas. Para que sea más visual, la probabilidad es de 0,00023.

Relación entre masa y forma de la órbita en el sistema analizado. Cada punto representa una posible solución compatible con los datos, y las zonas más intensas indican las más probables. La mayoría de los resultados se agrupan en torno a una órbita claramente no circular, lo que refuerza la idea de que el sistema tenía una trayectoria alargada antes de la colisión. Fuente: The Astrophysical Journal Letters

Qué implica sobre el origen de estos sistemas

La consecuencia más importante no es solo la forma de la órbita, sino lo que revela sobre el origen del sistema. Si la evolución aislada produce órbitas circulares, encontrar una órbita excéntrica implica que el sistema se formó de otra manera.

El artículo lo plantea de forma directa: “la excentricidad orbital observada [...] implica que este evento debió formarse a través de otros canales que involucran interacciones dinámicas”. Esto apunta a entornos donde múltiples objetos interactúan gravitacionalmente, como cúmulos estelares densos o sistemas con tres o más cuerpos.

En estos entornos, las interacciones pueden alterar las órbitas de forma brusca, generando configuraciones que no siguen la evolución tranquila de un sistema aislado. También pueden intervenir mecanismos como el efecto Kozai-Lidov, que intercambia energía y momento angular entre cuerpos y puede mantener órbitas excéntricas.

Este cambio de perspectiva es importante porque sugiere que no existe un único camino para formar estos sistemas, sino varios. Y algunos de ellos dejan señales observables en las ondas gravitacionales.

Un problema de medición: masas y modelos

Otro aspecto clave del estudio es que cambiar el modelo cambia también las propiedades inferidas del sistema. Cuando se asume una órbita circular, las masas estimadas pueden ser incorrectas.

En este caso, el nuevo análisis sugiere un agujero negro más masivo y una estrella de neutrones más ligera que en estudios anteriores. Esto se debe a que la excentricidad afecta a la forma de la señal y, por tanto, a cómo se interpretan los datos.

El artículo advierte que ignorar la excentricidad puede sesgar parámetros fundamentales, incluyendo la llamada masa de chirp, que es una de las mejor determinadas en este tipo de eventos. Esto tiene implicaciones más amplias, ya que estos sistemas se utilizan para estudiar física fundamental y propiedades de la materia en condiciones extremas.

En otras palabras, no se trata solo de un detalle orbital: es una variable que puede cambiar la interpretación completa de un evento.

Un estudio que abre puertas

Este resultado abre la puerta a una nueva forma de estudiar las poblaciones de agujeros negros y estrellas de neutrones. Si se detectan más sistemas con órbitas excéntricas, será posible estimar qué fracción se forma en entornos dinámicos frente a los sistemas aislados.

El propio trabajo señala que las futuras observaciones permitirán entender mejor la contribución de estos sistemas a lo largo del tiempo cósmico. Además, nuevos detectores, tanto en tierra como en el espacio, ampliarán el rango de frecuencias observables y permitirán seguir la evolución de estos sistemas durante más tiempo.

Esto es especialmente interesante porque la excentricidad cambia con el tiempo. A frecuencias más bajas, como las que observará la misión LISA, estos sistemas podrían mostrar valores aún más extremos, proporcionando pistas adicionales sobre su historia.

Un cambio silencioso en la imagen del universo

La importancia de este hallazgo no está en lo espectacular del evento, sino en lo que obliga a reconsiderar. Durante años, la imagen dominante era la de sistemas que evolucionan de forma ordenada hacia órbitas circulares. Este resultado introduce una excepción clara.

No es una anomalía aislada, sino una señal de que los modelos deben ampliarse. Como señalan los autores, entender estos sistemas es uno de los grandes retos actuales porque conecta con la formación estelar, la dinámica de cúmulos y la relatividad.

El estudio de GW200105 muestra que incluso en un campo tan consolidado, un cambio en el modelo puede revelar propiedades ocultas en datos ya conocidos. Y eso sugiere que todavía hay información relevante esperando a ser interpretada en las señales que ya hemos detectado.