¿Por qué se fusionan los agujeros negros si las leyes de la físicas aseguran que no pueden hacerlo?

 

¿Quién sabe qué acecha en el corazón de algunos cúmulos globulares? Usando una colección de observatorios de ondas gravitacionales, los astrónomos encontraron evidencia de colecciones de agujeros negros más pequeños bailando juntos como binarios en el corazón de los globulares. Además, detectaron un mayor número de eventos de ondas gravitacionales cuando algunos de estos agujeros negros de masa estelar chocaron entre sí.

El cúmulo globular NGC 6397 contiene muchos agujeros negros de masa estelar entre sus más de 400 000 estrellas. Orbita alrededor de la Vía Láctea a una distancia de unos 8.000 años luz de la Tierra. Ha sufrido un colapso del núcleo, con un núcleo muy compacto. Ese núcleo no solo contiene estrellas, sino también enanas blancas y estrellas de neutrones, lo que indica el envejecimiento de la población estelar. Imagen cortesía de NASA/ESA/STScI.

Los agujeros negros son objetos notoriamente complicados. Los tipos de masa estelar se forman cuando las estrellas supermasivas mueren y colapsan sobre sí mismas. Por lo general, no deberían poder fusionarse fácilmente. Una vez que los agujeros negros se acercan bastante en pares binarios, pueden establecerse en órbitas bastante estables entre sí. Sin embargo, la situación cambia si bailan juntos en un ambiente lleno de gente. Eso en realidad describe los cúmulos globulares a la perfección. Esas aglomeraciones estelares contienen decenas de miles o incluso millones de estrellas juntas. Esas estrellas están fuertemente unidas gravitacionalmente, lo que crea un «gradiente» de gravedad desde el exterior hacia el núcleo. Como estrellas supermasivas envejecidas en un dado globular, algunas terminan como agujeros negros de masa estelar. Eventualmente, se hunden hasta el núcleo del clúster. Eso se llama «segregación masiva». Eventualmente, crean una especie de «núcleo oscuro invisible».

Los agujeros negros en pares binarios en el cúmulo tienen más probabilidades de fusionarse. Reciben un poco de ayuda de sus vecinos en el camino. Cualquier objeto masivo cercano puede eliminar la energía orbital del par binario. Los astrónomos las llaman «interacciones dinámicas». La pérdida de energía los acerca y afecta la forma de la órbita para hacerla más alargada. Eso saca a la pareja de agujeros negros de la órbita estable que han disfrutado.

Si esto es realmente lo que está sucediendo, entonces los agujeros negros pasan más y más juntos bajo el efecto de la interacción gravitatoria. Eventualmente, se produce una fusión. Eso desencadena ondas gravitacionales que podemos detectar aquí en la Tierra. Cuando dos agujeros negros están en una órbita tan alargada, su señal de onda gravitatoria tiene «huellas dactilares» características. Esas son pistas que se pueden estudiar en busca de pistas sobre dónde se encontraron los dos objetos.Un equipo de investigadores dirigido por la Dra. Isobel Romero-Shaw (anteriormente de la Universidad de Monash, ahora con sede en la Universidad de Cambridge), con los profesores Paul Lasky y Eric Thrane de la Universidad de Monash, están trabajando juntos para estudiar esas formas orbitales del agujero negro. binarios justo antes de fusionarse. Encuentran que algunos de los binarios observados por la colaboración LIGO-Virgo-KAGRA (una cooperativa entre tres observatorios de ondas gravitacionales) probablemente tengan esas órbitas alargadas. Eso indica que los binarios chocaron en su núcleo de cúmulo estelar densamente poblado. Estos hallazgos también indican que una gran parte de las colisiones de agujeros negros binarios observadas, al menos el 35%, podrían haberse forjado en tales cúmulos de estrellas.

“Me gusta pensar en los agujeros negros binarios como parejas de baile”, dijo la Dra. Romero-Shaw. “Cuando un par de agujeros negros evolucionan juntos de forma aislada, son como una pareja que toca un vals lento solo en el salón de baile. Es muy controlado y cuidadoso; hermoso, pero nada inesperado. En contraste con eso, está la atmósfera de estilo carnaval dentro de un cúmulo de estrellas, donde puedes tener muchos bailes diferentes al mismo tiempo; Grupos de baile grandes y pequeños, estilo libre y ¡muchas sorpresas!”

Hay muchos de estos bailes de colisión para estudiar. Desde 2015, al menos 85 pares de agujeros negros han chocado entre sí y han sido detectados por la Colaboración LIGO-Virgo-KAGRA. Según este hallazgo, los astrónomos del consorcio saben que estas colisiones cósmicas ocurren con bastante frecuencia. Los siguientes pasos son observar tantos de estos como sea posible, particularmente con una instrumentación en constante mejora. A medida que mejora la sensibilidad del detector, los investigadores deberían detectar estos eventos de ondas gravitacionales con frecuencia, tal vez a diario. La gran pregunta sigue siendo, sin embargo, ¿qué inicia el evento de fusión final? Eso es lo que los equipos esperan descubrir a medida que observan más de ellos en el corazón de los cúmulos globulares.

La investigación de ondas gravitacionales en este tipo de fusiones requiere una cooperación mundial. Esto se debe a que múltiples detectores de ondas gravitacionales pueden facilitar el estudio de eventos verificados. Los observatorios gemelos LIGO en los Estados Unidos trabajan junto con las instalaciones de Virgo en Italia y el observatorio KAGRA en Japón. Llevan a cabo observaciones y análisis conjuntos de los datos resultantes y han trabajado juntos desde 2010. El equipo de investigación ahora espera detectar más fusiones de binarios en cúmulos globulares durante la próxima serie de observación LIGO-Virgo-KAGRA, que comienza en 2023.

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