Los investigadores brindan la primera explicación plausible de por qué uno de los pares de agujeros negros más masivos observados hasta la fecha por ondas gravitacionales también parecía fusionarse en una órbita no circular. Su solución sugerida, ahora publicada en Naturaleza, implica un triple drama caótico dentro de un disco gigante de gas alrededor de un agujero negro súper masivo en una galaxia muy, muy lejana.
Los agujeros negros son uno de los objetos más fascinantes del Universo, pero nuestro conocimiento sobre ellos aún es limitado, especialmente porque no emiten luz. Hasta hace unos años, la luz era nuestra principal fuente de conocimiento sobre nuestrouniverso y sus agujeros negros, hasta que el Observatorio de Ondas Gravitatorias con Interferómetro Láser LIGO en 2015 realizó su revolucionaria observación de ondas gravitacionales a partir de la fusión de dos agujeros negros.
"Pero, ¿cómo y dónde en nuestro Universo se forman y se fusionan esos agujeros negros? ¿Sucede cuando las estrellas cercanas colapsan y ambas se convierten en agujeros negros, es por encuentros casuales cercanos en cúmulos de estrellas, o es algo más? Estos sonalgunas de las preguntas clave en la nueva era de la astrofísica de ondas gravitacionales", dice el profesor asistente Johan Samsing del Instituto Niels Bohr de la Universidad de Copenhague, autor principal del artículo.
Es posible que él y sus colaboradores ahora hayan proporcionado una nueva pieza del rompecabezas, que posiblemente resuelva la última parte de un misterio con el que los astrofísicos han luchado durante los últimos años.
Descubrimiento inesperado en 2019
El misterio se remonta a 2019, cuando los observatorios LIGO y Virgo hicieron un descubrimiento inesperado de ondas gravitacionales. El evento se llamó GW190521 se entiende que es la fusión de dos agujeros negros, que no solo eran más pesados de lo que se creía físicamente posible, sino que además habían producido un destello de luz.
Desde entonces, se han proporcionado posibles explicaciones para estas dos características, pero las ondas gravitacionales también revelaron una tercera característica sorprendente de este evento, a saber, que los agujeros negros no se orbitaron entre sí a lo largo de un círculo en los momentos previos a la fusión.
"El evento de onda gravitacionalGW190521 es el descubrimiento más sorprendente hasta la fecha. Las masas y giros de los agujeros negros ya eran sorprendentes, pero aún más sorprendente fue que parecían no tener una órbita circular que condujera a la fusión ", dice el coautor Imre Bartos, Prof.. en la Universidad de Florida.
¿Pero por qué una órbita no circular es tan inusual e inesperada?
"Esto se debe a la naturaleza fundamental de las ondas gravitacionales emitidas, que no solo acerca el par de agujeros negros para que finalmente se fusionen, sino que también actúa para circularizar su órbita", explica el coautor Zoltan Haiman, profesor de laUniversidad de Colombia.
Esta observación hizo que muchas personas en todo el mundo, incluido Johan Samsing en Copenhague, se preguntaran
"Me hizo empezar a pensar en cómo pueden ocurrir fusiones no circulares conocidas como "excéntricas" con la probabilidad sorprendentemente alta que sugiere la observación", dice Johan Samsing.
Se necesitan tres para el tango
Una posible respuesta se encontraría en el entorno hostil en los centros de las galaxias que albergan un agujero negro gigante millones de veces la masa del Sol rodeado por un disco de gas plano y giratorio.
"En estos entornos, la velocidad y la densidad típicas de los agujeros negros son tan altas que los agujeros negros más pequeños rebotan como en un juego gigante de billar y los binarios circulares anchos no pueden existir", señala el coautor Prof. Bence Kocsis de la Universidadde Oxford.
Pero como argumentó el grupo, un agujero negro gigante no es suficiente, "Nuevos estudios muestran que el disco de gas juega un papel importante en la captura de agujeros negros más pequeños, que con el tiempo se acercan al centro y también más cerca entre sí.Esto no solo implica que se encuentren y formen parejas, sino también que esa pareja podría interactuar con otro tercer agujero negro, lo que a menudo conduce a un tango caótico con tres agujeros negros volando alrededor ", explica el astrofísico Hiromichi Tagawa de la Universidad de Tohoku, co-autor del estudio.
Sin embargo, todos los estudios previos hasta la observación deGW190521 indicó que la formación de fusiones excéntricas de agujeros negros es relativamente rara. Esto, naturalmente, plantea la pregunta: ¿Por qué la ya inusual fuente de ondas gravitacionalesGW190521¿también fusionarse en una órbita excéntrica?
Billar de agujero negro bidimensional
Todo lo que se ha calculado hasta ahora se basó en la noción de que las interacciones de los agujeros negros tienen lugar en tres dimensiones, como se esperaba en la mayoría de los sistemas estelares considerados hasta ahora.
"Pero luego empezamos a pensar en lo que sucedería si las interacciones de los agujeros negros tuvieran lugar en un disco plano, que está más cerca de un entorno bidimensional. Sorprendentemente, encontramos en este límite que la probabilidad de formar unla fusión excéntrica aumenta hasta 100 veces, lo que lleva a que aproximadamente la mitad de todas las fusiones de agujeros negros en tales discos sean posiblemente excéntricas", dice Johan Samsing y continúa:
"Y ese descubrimiento encaja increíblemente bien con la observación en 2019, que en general ahora apunta en la dirección de que las propiedades espectaculares de esta fuente no son tan extrañas nuevamente, si se creó en un disco de gas plano que rodea un superagujero negro masivo en un núcleo galáctico".
Esta posible solución también se suma a un problema de mecánica de un siglo de antigüedad: "La interacción entre 3 objetos es uno de los problemas más antiguos de la física, que tanto Newton como yo y otros hemos estudiado intensamente. Que esto ahora parece jugar un papelEl papel crucial en cómo los agujeros negros se fusionan en algunos de los lugares más extremos de nuestro Universo es increíblemente fascinante", dice el coautor Nathan W. Leigh, profesor de la Universidad de Concepción, Chile.
Agujeros negros en discos gaseosos
La teoría del disco de gas también encaja con las explicaciones de otros investigadores de las otras dos propiedades desconcertantes de GW190521. Las grandes masas del agujero negro han sido alcanzadas por fusiones sucesivas dentro del disco, mientras que la emisión de luz podría originarse en el gas ambiental.
"Hemos demostrado que puede haber una gran diferencia en las señales emitidas por los agujeros negros que se fusionan en discos bidimensionales planos, en comparación con las que solemos considerar en los sistemas estelares tridimensionales, lo que nos dice que ahora tenemosuna herramienta adicional que podemos usar para aprender cómo se crean y se fusionan los agujeros negros en nuestro Universo ", dice Johan Samsing.
Pero este estudio es solo el comienzo, "La gente ha estado trabajando para comprender la estructura de tales discos de gas durante muchos años, pero el problema es difícil. Nuestros resultados son sensibles a qué tan plano es el disco y cómo se mueven los agujeros negrosEl tiempo dirá si aprenderemos más sobre estos discos, una vez que tengamos una población más grande de fusiones de agujeros negros, incluidos casos más inusuales similares a GW190521. Para habilitar esto, debemos construir sobre nuestro descubrimiento ahora publicado y ver a dónde nos lleva en este nuevo y emocionante campo ", concluye el coautor Zoltan Haiman.
Fuente de la historia:
Materiales proporcionado por Universidad de Copenhague - Facultad de Ciencias. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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