El 12 de noviembre de 2025, los observatorios de ondas gravitacionales LIGO-Virgo-KAGRA detectaron una señal diferente a cualquier otra que hubieran visto antes. Designada S251112cm, la fusión tenía una masa chirp entre 0,1 y 0,87 masas solares, demasiado ligera para ser un par de agujeros negros estelares ordinarios, y con solo un 8 % de probabilidad de involucrar una estrella de neutrones.
En un estudio publicado en The Astrophysical Journal, los astrofísicos Nico Cappelluti y Alberto Magaraggia de la Universidad de Miami sostienen que la señal podría ser la primera evidencia directa de agujeros negros primordiales, objetos formados no por el colapso de estrellas sino por fluctuaciones de densidad en las primeras fracciones de segundo después del Big Bang. Y si tienen razón, estos antiguos agujeros negros podrían representar una porción significativa, si no toda, de la materia oscura del universo.
“Esta es una evidencia muy sólida de que estos tipos de agujeros negros existen”, dijo Cappelluti. “Pero necesitaremos detectar otra señal similar o incluso varias más para obtener la confirmación definitiva”.
Qué lo hace inusual
Los agujeros negros de masa estelar se forman a partir del colapso de estrellas masivas en supernovas, y los agujeros negros más ligeros conocidos pesan aproximadamente de 3 a 5 masas solares, siendo el límite inferior establecido por la física del colapso de estrellas de neutrones. Una fusión con una masa chirp por debajo de una masa solar no tiene una explicación astrofísica convencional. Las fusiones de estrellas de neutrones son posibles, pero el análisis bayesiano de S251112cm da solo un 8 % de probabilidad de que una estrella de neutrones esté involucrada. Los objetos son casi con certeza agujeros negros por debajo del umbral de masa de colapso estelar.
La señal fue detectada en los tres detectores LVK (LIGO Hanford, LIGO Livingston y Virgo) con un factor de coherencia log-Bayes de +6,1, una fuerte evidencia de un evento genuino de ondas gravitacionales. Su tasa de falsa alarma es de aproximadamente una vez cada 6,2 años. La distancia estimada es de 93 ± 27 megaparsecs (aproximadamente 303 millones de años luz). No se encontró ninguna contraparte de kilonova creíble en las búsquedas de seguimiento electromagnético, lo que es consistente con una fusión agujero negro-agujero negro.
El caso de los agujeros negros primordiales
Se plantea la hipótesis de que los agujeros negros primordiales se formaron durante la época QCD, una transición de fase en los primeros microsegundos después del Big Bang cuando los quarks se combinaron para formar protones y neutrones. La física de esta transición suavizó brevemente la ecuación de estado del universo temprano, permitiendo que regiones de densidad extrema colapsaran directamente en agujeros negros en un vasto rango de masas.
El modelo utilizado por Cappelluti y Magaraggia, basado en un espectro de masas extendido de Hasinger (2020) modificado por asimetrías de sabor leptónico, predice cuatro poblaciones de masa características: agujeros negros de masa planetaria de la transición electrodébil; agujeros negros a escala de Chandrasekhar alrededor de 1,5 masas solares de la aparición de bariones; agujeros negros de aproximadamente 50 masas solares de la formación de piones; y agujeros negros supermasivos de la aniquilación electrón-positrón.
S251112cm, con su masa chirp en el rango de 0,1 a 0,87 masas solares, encaja claramente en la cola de baja masa de la población primordial a escala de Chandrasekhar.
El modelo predice una tasa de fusión subsolar detectable de 0,8 por año en la sensibilidad O3b de LIGO. La única detección de S251112cm da una tasa observada de 0,23 por año (con un intervalo de confianza del 95 % de 0,012 a 1,09 por año), estadísticamente consistente con la predicción. El mismo modelo también predice aproximadamente 120 fusiones por año en el rango de 3 a 200 masas solares, coincidiendo con la tasa observada por LIGO, lo que sugiere que alguna fracción de las fusiones de agujeros negros conocidas por LIGO también podrían ser primordiales.
Qué significa para la materia oscura
La fracción de agujeros negros primordiales predicha por el modelo en el rango de masa observable (10⁻⁶ a 4 × 10⁸ masas solares) es f_PBH = 0,339, lo que significa que aproximadamente el 34 % de la materia oscura en esta ventana de masa podría estar hecha de estos objetos. Extendiendo la función de masa hasta escalas subplanetarias, el modelo puede explicar el 100 % de la materia oscura.
“Nuestra investigación indica que estos agujeros negros primordiales podrían representar una porción significativa, si no toda, de la materia oscura”, dijo Cappelluti.
La detección también proporciona un límite inferior: a partir de este único evento, al menos el 4 % de la materia oscura en el rango de masa relevante debe estar en forma de agujeros negros primordiales, con un 95 % de confianza.
Alternativas y precaución
No todos están convencidos. La señal aún podría ser una fluctuación estadística, aunque el alto factor de coherencia hace que eso sea improbable. Una explicación alternativa, el modelo de “superkilonova”, donde estrellas de neutrones de masa subsolar se forman por fragmentación en discos de acreción de collapsars durante supernovas, fue probada en un estudio de seguimiento que encontró una supernova Tipo IIb coincidente dos días antes de S251112cm. Pero la probabilidad de coincidencia casual es del 2 al 9 %, y la evidencia se consideró “sugerente pero no concluyente”.
“Predecimos que los agujeros negros subsolares como el que LIGO puede haber observado deberían ser realmente raros, consistente con la poca frecuencia con que se han visto tales eventos hasta ahora”, dijo Alberto Magaraggia. “Advertimos que este evento aún puede ser revisado o retractado”.
Se necesitaría otra detección de una fusión de masa subsolar similar para confirmar la interpretación de agujeros negros primordiales. La campaña de observación actual de LIGO, O4, continúa recopilando datos, y los detectores mejorados podrían ser lo suficientemente sensibles para capturar más de estas esquivas señales.
Traducido por Alessandra