Insólita fusión 'jerárquica' entre agujeros negros

Redacción | 03/09/2020

Fusión jerárquica entre agujeros negros - MIT

Una fusión desequilibrada de dos agujeros negros puede tener una extraña historia de origen, según un nuevo estudio realizado por investigadores del MIT y otras instituciones.

La fusión se detectó por primera vez el 12 de abril de 2019 como una onda gravitacional que llegó a los detectores de LIGO (el Observatorio de ondas gravitacionales del interferómetro láser) y de su homólogo italiano, Virgo. Los científicos etiquetaron la señal como GW190412 y determinaron que emanaba de un choque entre dos agujeros negros de 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.

Ahora, el nuevo estudio, publicado en la revista Physical Review Letters, muestra que esta fusión desequilibrada puede haberse originado a través de un proceso muy diferente en comparación con cómo se cree que 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 padres. El Goliat que salió de esa primera colisión pudo haber rebotado alrededor de un "cúmulo nuclear" densamente empaquetado antes de fusionarse con el segundo agujero negro, más pequeño, un evento estridente que envió ondas gravitacionales a través del espacio.

GW190412 puede ser entonces una segunda generación, o fusión "jerárquica", que se distingue de otras fusiones de primera generación que LIGO y 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, 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, veremos de nuevo 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.

En su nuevo artículo, 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 que 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 envoltura común, una fusión como GW190412 fue muy rara, apareciendo 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 producto de un emparejamiento previo de dos agujeros negros padres de masa similar, sería más masivo que cualquiera de los padres y 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.

Si GW190412 de hecho se formó a través de una fusión jerárquica, Vitale dice que el evento también podría arrojar 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, esa colisión probablemente generó una gran cantidad de energía que no solo hizo girar un 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 nuevamente", dice Vitale.

Si 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. Si 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, y el equipo cree que dicho entorno podría haber sido el disco de gas alrededor de un agujero negro supermasivo o un "cúmulo nuclear", 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 realizando nuevas detecciones, podemos usar estos descubrimientos para aprender cosas nuevas sobre el universo".

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