Una historia de origen inesperada para una fusión desequilibrada de agujeros negros

Los investigadores sugieren un proceso novedoso para explicar la colisión de un agujero negro grande y uno mucho más pequeño.

Una fusión desequilibrada de dos agujeros negros puede tener orígenes inusuales, según un nuevo análisis de los datos de LIGO.
Crédito Imagen: MIT News.

Una fusión desequilibrada de dos agujeros negros tiene una extraña historia de origen, según un nuevo estudio realizado por investigadores del MIT y otros lugares.

La fusión se detectó el 12 de Abril de 2019 como una onda gravitacional que llegó a los detectores de LIGO y Virgo. Los científicos etiquetaron la señal como GW190412. Determinaron que emanaba de un choque entre dos agujeros negros » David y Goliat», uno tres veces más masivo que el otro. La señal marcó la primera detección de una fusión entre dos agujeros negros de tamaños muy diferentes.

El nuevo estudio fue publicado en la revista Physical Review Letters.  Muestra que esta fusión puede haberse originado por un proceso muy diferente en comparación con cómo se forman la mayoría de las fusiones o binarios.

Es probable que el más masivo de los dos agujeros negros fuera en sí mismo producto de una fusión previa entre dos agujeros negros progenitores. El Goliat que surgió de esa primera colisión pudo haber rebotado alrededor de un «cúmulo nuclear» densamente empaquetado. Luego se fusionó con el segundo agujero negro, más pequeño, un evento estridente que envió ondas gravitacionales a través del espacio.

Una fusión jerárquica.

Entonces, GW190412 puede ser una fusión de segunda generación o «jerárquica», distinguiéndose de otras fusiones de primera generación que LIGO, Virgo han detectado hasta ahora.

“Este evento es un bicho raro que el universo nos ha lanzado, fue algo que no vimos venir”, dice el coautor del estudio Salvatore Vitale. Él es Profesor Asistente de Física en el MIT y miembro de LIGO“Pero nada sucede una sola vez en el universo. Y algo como esto, aunque raro, lo volveremos a ver y podremos decir más sobre el universo «.

Los coautores de Vitale son Davide Gerosa de la Universidad de Birmingham y Emanuele Berti de la Universidad Johns Hopkins.

Una lucha por explicar

Hay dos formas principales en las que se cree que se forman las fusiones de agujeros negros. La primera se conoce como un proceso de envoltura común, donde dos estrellas vecinas, al final de sus vidas, explotan formando dos agujeros negros vecinos. Eventualmente comparten una envoltura común o disco de gas. Después de otros pocos miles de millones de años, los agujeros negros entran en espiral y se fusionan.

“Puedes pensar en esto como si una pareja estuviera junta toda su vida”, dice Vitale. «Se sospecha que este proceso ocurre en el disco de galaxias como la nuestra».

El otro camino común por el cual se forman las fusiones de agujeros negros es a través de interacciones dinámicas. Imagine, en lugar de un entorno monógamo, una reunión galáctica, donde miles de agujeros negros se apiñan en una región pequeña y densa del universo. Cuando dos agujeros negros comienzan a asociarse, un tercero puede separar a la pareja en una interacción dinámica que puede repetirse muchas veces. Hasta que el par de agujeros negros finalmente se fusionen.

Tanto en el proceso de envolvente común como en el escenario de interacción dinámica, los agujeros negros fusionados deberían tener aproximadamente la misma masa. Eso es bien diferente de la proporción de masa desequilibrada de GW190412. También deberían tener un efecto relativamente nulo, mientras que GW190412 tiene un efecto sorprendentemente alto.

“Ambos escenarios, son los que la gente tradicionalmente piensa que son viveros ideales para los binarios de agujeros negros en el universo. Pero la conclusión es que luchan por explicar la proporción de masa y el giro de este evento”, dice Vitale.

Rastreador de agujeros negros

Los investigadores utilizaron dos modelos para mostrar que es muy poco probable que GW190412 provenga de un proceso envolvente común o de una interacción dinámica.

Primero modelaron la evolución de una galaxia típica usando STAR TRACK, una simulación que rastrea galaxias durante miles de millones de años. Comenzando con la fusión del gas y procediendo a la forma en que las estrellas toman forma y explotan, y luego colapsan en agujeros negros. Estos eventualmente se fusionan. El segundo modelo simula encuentros dinámicos aleatorios en cúmulos globulares, concentraciones densas de estrellas alrededor de la mayoría de las galaxias.

El equipo ejecutó ambas simulaciones varias veces, sintonizando los parámetros y estudiando las propiedades de las fusiones de agujeros negros que surgieron. Para aquellas fusiones que se formaron a través de un proceso de envolvente común, una fusión como GW190412 fue muy rara. Surgieron solo después de unos pocos millones de eventos. Las interacciones dinámicas tenían un poco más de probabilidad de producir tal evento, después de algunos miles de fusiones.

Sin embargo, LIGO y Virgo detectaron GW190412 después de solo otras 50 detecciones, lo que sugiere que probablemente surgió a través de algún otro proceso.

“No importa lo que hagamos, no podemos producir fácilmente este evento en estos canales de formación más comunes”, dice Vitale.

El proceso de fusión jerárquica puede explicar mejor la masa desequilibrada del GW190412 y su alto giro.

Si un agujero negro fuera el producto de un emparejamiento previo de dos agujeros negros padres, de masa similar, sería más masivo que sus progenitores.  Luego eclipsaría significativamente a su socio de primera generación, creando una alta proporción de masa en la fusión final.

Un proceso jerárquico también podría generar una fusión con un giro alto. Los agujeros negros principales, en su fusión caótica, harían girar el agujero negro resultante, que luego llevaría este giro a su propia colisión final.

“Haces los cálculos, y resulta que el agujero negro sobrante tendría un giro muy cercano al giro total de esta fusión”, explica Vitale.

No hay escapatoria

Si GW190412 de hecho se formó a través de una fusión jerárquica, el evento también arrojaría luz sobre el entorno en el que se formó. El equipo descubrió que si el mayor de los dos agujeros negros se formó a partir de una colisión anterior,ésta probablemente generó mucha energía. Ésta no solo hizo girar al nuevo agujero negro, sino que lo pateó a cierta distancia.

«Si se patea con demasiada fuerza, simplemente dejaría el cúmulo y entraría en el medio interestelar vacío, y no podría fusionarse de nuevo», dice Vitale.

Pero el objeto pudo fusionarse nuevamente (en este caso, para producir GW190412). Significaría que la patada que recibió no fue suficiente para escapar del cúmulo estelar en el que se formó. Supongamos que GW190412 es realmente un producto de la fusión jerárquica. El equipo calculó que habría ocurrido en un entorno con una velocidad de escape superior a 150 kilómetros por segundo. En perspectiva, la velocidad de escape de la mayoría de los cúmulos globulares es de unos 50 kilómetros por segundo.

Esto significa que cualquier entorno del que surgió GW190412 tuvo una inmensa atracción gravitacional. El equipo cree que dicho entorno podría haber sido el disco de gas alrededor de un agujero negro supermasivo o un «cúmulo nuclear». Éste último es una región increíblemente densa del universo, llena de decenas de millones de estrellas.

«Esta fusión debe haber venido de un lugar inusual», dice Vitale. «A medida que LIGO y Virgo continúan haciendo nuevas detecciones, podemos usar estos descubrimientos para aprender cosas nuevas sobre el universo».

Esta investigación fue financiada, en parte, por la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. Y el Fondo de Investigación Solomon Buchsbaum del MIT.

Sobre el artículo

Fuente: MIT News.

Artículo original:» An unexpected origin story for a lopsided black hole merger«. Jennifer Chu. September 2, 2020.

Los papers

Los datos:

Material relacionado

El 2 de Septiembre de 2020, LIGO Scientific Collaboration y Virgo Collaboration anunciaron el descubrimiento de GW190521, la onda binaria gravitacional más masiva observada. Los dos agujeros negros eran de aproximadamente 85 y 66 masas solares, resultadando en la formación de un agujero negro remanente de 142 masas solares.
Este remanente proporciona la primera detección clara de un agujero negro de «masa intermedia».

Aconsejo leer el artículo con la noticia publicado por LIGO Calthec:

Toda la información sobre el evento, incluyendo otras publicaciones de la noticia, los papaers, los infográficos y videos se encuentran en:

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  Representación artística de la formación de estrellas supermasivas que evolucionan en un agujero negro supermasivo. Agrandar imagen.
Crédito: NAOJ.
Descargas: [Color (1.75 MB)] [Mono (1.64 MB)].

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