LA ONDA GRAVITACIONAL GW231123

La colaboración LVK (LIGO-Virgo-KAGRA) ha registrado unas 300 ondas gravitacionales producidas por fusiones de agujeros negros. La fusión más masiva hasta ahora era GW190521, con una masa final de unas 140 masas solares. Hoy se anuncia el nuevo récord, dos agujeros negros con 137 y 103 masas solares que se han fusionado dando lugar a un agujero negro con una masa final de unas 225 masas solares (en rigor, entre 190 y 265 masas solares), emitiendo en el proceso unas 13 masas solares de energía gravitacional en la gravitonda GW231123, observada durante unos 0.1 segundos (50 milisegundos antes de la fusión y 50 milisegundos después). Hay que destacar dos cosas, por un lado, que ambos agujeros negros parecen estar en la región de masa prohibida por la inestabilidad de pares para supernovas, que está entre 60 y 130 masas solares, y por otro lado, que se ha logrado estimar el espín (momento angular normalizado χ) de ambos agujeros negros en 0.9 y 0.8, el más alto hasta ahora para una gravitonda; estos resultados apoyan que uno de estos agujeros negros, o incluso ambos, son resultado de fusiones previas de agujeros negros de menor masa (la llamada teoría de formación jerárquica). Un nuevo resultado espectacular de la astronomía de ondas gravitacionales.

Hagamos un ejercicio de imaginación (usando los valores medianos de los parámetros estimados para los agujeros negros) sobre la fuente de esta onda gravitacional que hemos observado unos 0.05 segundos (spiralling) antes de la fusión (merging) y unos 0.05 segundos después (ringdown). Primero, una foto fija del sistema binario unos 50 milisegundos antes de la fusión. Observamos un agujero negro en rotación de unos 580 km de diámetro que rota sobre sí mismo al 90 % de la velocidad de la luz en el vacío, separado a unos 550 km de otro agujero negro de unos 490 km de diámetro que rota al 80 % de la velocidad de la luz en el vacío (sus centros geométricos están separados unos 1100 km). Ambos están rotando en espiral (spiralling) alrededor de su centro de masas común a una velocidad del orden del 15 % de la velocidad de la luz en el vacío. Su gran velocidad relativa de rotación en espiral conduce a unos sucesos fascinantes que ocurren muy rápido. En unos 6 milisegundos, sus horizontes de sucesos se deforman y entran en contacto mutuo, iniciándose su fusión (merging); en ella su velocidad relativa alcanza un 60 % de la velocidad de la luz en el vacío. En este momento se completa la fusión, resultando un objeto llamado merger, que no es un agujero negro, pues su horizonte de sucesos está en oscilación rápida y presenta una topología no trivial (según las simulaciones numéricas). Tras unos 50 milisegundos, este objeto (merger) decae (ringdown) en un agujero negro en rotación con un diámetro de unos 1000 km que rota al 80 % de la velocidad de la luz en el vacío. Imaginar esta fusión da escalofríos.

Otro gran resultado sobre la física de agujeros negros de la colaboración LVK, que está formada por más de 2880 científicos (unos 1600 en LIGO, 880 en Virgo y 400 en KAGRA). El artículo es The LIGO Scientific Collaboration, the Virgo Collaboration, the KAGRA Collaboration, «GW231123: a Binary Black Hole Merger with Total Mass 190–265 M_⊙,» arXiv:2507.08219 [astro-ph.HE] (10 Jul 2025), doi: https://doi.org/10.48550/arXiv.2507.08219. Más información divulgativa en «GW231123: The most massive black hole binary detected through gravitational waves,» LIGO Scientific Collaboration (LSC), 14 Jul 2025; «GW231123: El sistema binario de agujeros negros más masivo detectado por ondas gravitacionales»,

Esta figura muestra las señales de GW231123 observadas por LIGO Hanford (izquierda) y LIGO Livingston (derecha), en color negro, y su mejor ajuste mediante ondas gravitacionales, banda de color azul. La señal se observa a simple vista, pues su relación señal-ruido SNR = 22.5 está muy por encima de la SNR de corte ~ 10; recuerda que la primera onda gravitacional GW150914 se observó con una SNR = 24. Debajo se presentan sus espectrogramas, es decir, sus frecuencias (eje vertical) en función del tiempo (eje horizontal). La onda gravitacional GW231123 consiste en ∼ 5 ciclos en el rango de frecuencias entre 30 y 80 Hz (recuerda que GW150914 estaba en el rango entre 35 y 350 Hz). Como se puede comprobar, la onda gravitacional se distingue perfectamente sobre el ruido de fondo, incluso para ojos no entrenados.

Como su nombre indica, esta onda se observó el 23 de noviembre de 2023 a las 13:54:30 UTC en los dos detectores de LIGO, Hanford y Livignston. Hay que recordar que se los parámetros de los agujeros negros se estiman mediante distribuciones asimétricas, siendo el número indicado en el párrafo anterior la mediana, sin incertidumbre; en rigor, la masa de ambos agujeros negros ha sido de 137⁺²²₋₁₇ M_⊙ y 103⁺²⁰₋₅₂ M_⊙ al 90 % de credibilidad, es decir, su masa está en los intervalos [120, 159] M_⊙ y [51, 123] M_⊙, con una probabilidad del 90 %. Sus espines respectivos son 0.9^+0.10_−0.19 y 0.80^+0.20_−0.51, estando la distancia estimada a la fuente en el intervalo [0.7, 4.1] Gpc, que corresponde a un desplazamiento al rojo z = 0.39^+0.27_−0.24. Como se puede observar, las incertidumbres en los parámetros de estos agujeros negros son bastante grandes, siendo la razón la gran distancia a la que se encuentra la fuente (recuerdemos que GW150914 tenía un z = 0.09^+0.03_−0.04, un valor unas cuatro veces más pequeño).

Esta figura muestra la distribuciones de probabilidad a posteriori para las masas (m₁ y m₂), izquierda, y los espines (χ₁ y χ₂), derecha, de los agujeros negros fusionados en la onda gravitacional GW231123. Como se observa con claridad, estos parámetros tienen una gran incertidumbre en valor absoluto, aunque en valor relativo no es tan grande. En el artículo puedes encontrar una discusión detallada de los diferentes métodos usados para analizar la señal (que ofrecen resultados diferentes aunque coherentes entre sí). Debo destacar que la estimación de los parámetros depende del método de ajuste usado (en la tabla de abajo tienemos cinco métodos, XPHM, XO4a, TPHM, NRSur y v5PHM, en cuyos diferencias no creo que merezca la pena entrar).

En el Run O4, la mayor parte del tiempo solo han estado observando los dos LIGO, sin apoyo de Virgo y KAGRA. Si GW231123 hubiera sido observada por tres o cuatro, la incertidumbre en sus parámetros sería algo menor, pero hasta la construcción del futuro LIGO-India no se puede soñar con una reducción significativa de dicha incertidumbre en este tipo de señales. Todas las personas aficionadas a la divulgación de la ciencia soñamos con que los recortes en la financiación de la NSF por el Gobierno de EEUU no obliguen a cancelar la operación de uno de los LIGO. En su caso nos perderíamos muchas señales como esta (que acabaría siendo una señal récord hasta bien entrada la próxima década). Crucemos los dedos y soñemos con enormes agujeros negros en rotación mutua que se fusionan emitiendo una energía en ondas gravitacionales superior a quince masas solares.