En febrero de 2016, los científicos que trabajan para el Observatorio de ondas gravitacionales con interferómetro láser (LIGO) hicieron historia cuando anunciaron la primera detección de ondas gravitacionales. Este descubrimiento no solo confirmó una predicción centenaria realizada por la Teoría de la relatividad general de Einstein, sino que también confirmó la existencia de agujeros negros binarios estelares, que se fusionaron para producir la señal en primer lugar.
Y ahora, un equipo internacional dirigido por el astrofísico del MIT Carl Rodríguez ha producido un estudio que sugiere que los agujeros negros pueden fusionarse varias veces. Según su estudio, estas "fusiones de segunda generación" probablemente ocurran dentro de cúmulos globulares, los cúmulos estelares grandes y compactos que generalmente orbitan en los bordes de las galaxias, y que están densamente llenos de cientos de miles a millones de estrellas.
El estudio, titulado "Dinámica post-newtoniana en cúmulos estelares densos: Fusiones binarias negras altamente excéntricas, altamente giratorias y repetidas", apareció recientemente en el Cartas de revisión física. El estudio fue dirigido por Carl Rodríguez, becario de Pappalardo en el Departamento de Física del MIT y el Instituto Kavli de Astrofísica e Investigación Espacial, e incluyó miembros del Instituto de Ciencias del Espacio y el Centro de Exploración e Investigación Interdisciplinarias en Astrofísica (CIERA).
Como Carl Rodríguez explicó en un reciente comunicado de prensa del MIT:
“Creemos que estos grupos se formaron con cientos a miles de agujeros negros que se hundieron rápidamente en el centro. Este tipo de grupos son esencialmente fábricas de binarios de agujeros negros, donde tienes tantos agujeros negros colgando en una pequeña región del espacio que dos agujeros negros podrían fusionarse y producir un agujero negro más masivo. Entonces ese nuevo agujero negro puede encontrar otro compañero y fusionarse de nuevo ".
Los cúmulos globulares han sido una fuente de fascinación desde que los astrónomos los observaron por primera vez en el siglo XVII. Estas colecciones esféricas de estrellas se encuentran entre las estrellas más antiguas conocidas del Universo, y se pueden encontrar en la mayoría de las galaxias. Dependiendo del tamaño y tipo de galaxia que orbitan, el número de cúmulos varía, con galaxias elípticas que albergan a decenas de miles, mientras que galaxias como la Vía Láctea tienen más de 150.
Durante años, Rodríguez ha estado investigando el comportamiento de los agujeros negros dentro de los cúmulos globulares para ver si interactúan con sus estrellas de manera diferente a los agujeros negros que ocupan regiones menos densamente pobladas en el espacio. Para probar esta hipótesis, Rodríguez y sus colegas utilizaron la supercomputadora Quest en la Universidad Northwestern para realizar simulaciones en 24 grupos estelares.
Estos cúmulos variaron en tamaño de 200,000 a 2 millones de estrellas y cubrieron un rango de diferentes densidades y composiciones metálicas. Las simulaciones modelaron la evolución de estrellas individuales dentro de estos cúmulos a lo largo de 12 mil millones de años. Este lapso de tiempo fue suficiente para seguir a estas estrellas mientras interactuaban entre sí, y finalmente formaron agujeros negros.
Las simulaciones también modelaron la evolución y las trayectorias de los agujeros negros una vez que se formaron. Como explicó Rodríguez:
"Lo bueno es que, debido a que los agujeros negros son los objetos más masivos en estos grupos, se hunden en el centro, donde se obtiene una densidad lo suficientemente alta de agujeros negros para formar binarios. Los agujeros negros binarios son básicamente como objetivos gigantes que cuelgan en el cúmulo, y cuando les arrojas otros agujeros negros o estrellas, se someten a estos encuentros caóticos y locos ".
Mientras que las simulaciones anteriores se basaron en la física de Newton, el equipo decidió agregar los efectos relativistas de Einstein en sus simulaciones de cúmulos globulares. Esto se debió al hecho de que las ondas gravitacionales no fueron predichas por las teorías de Newton, sino por la Teoría de la relatividad general de Einstein. Como indicó Rodríguez, esto les permitió ver cómo las ondas gravitacionales desempeñaban un papel:
“Lo que la gente había hecho en el pasado era tratar esto como un problema puramente newtoniano. La teoría de la gravedad de Newton funciona en el 99.9 por ciento de todos los casos. Los pocos casos en los que no funciona pueden ser cuando tienes dos agujeros negros que se cruzan entre sí muy de cerca, lo que normalmente no sucede en la mayoría de las galaxias ... En la teoría de la relatividad general de Einstein, donde puedo emitir ondas gravitacionales, entonces Cuando un agujero negro pasa cerca de otro, en realidad puede emitir un pequeño pulso de ondas gravitacionales. Esto puede restar suficiente energía del sistema que los dos agujeros negros realmente se unen, y luego se fusionarán rápidamente ”.
Lo que observaron fue que dentro de los grupos estelares, los agujeros negros se fusionan entre sí para crear nuevos agujeros negros. En simulaciones anteriores, la gravedad newtoniana predijo que la mayoría de los agujeros negros binarios serían expulsados del grupo antes de que pudieran fusionarse. Pero al tomar en cuenta los efectos relativistas, Rodríguez y su equipo descubrieron que casi la mitad de los agujeros negros binarios se fusionaron para formar otros más masivos.
Como explicó Rodríguez, la diferencia entre los que se fusionaron y los que fueron expulsados se redujo a girar:
"Si los dos agujeros negros giran cuando se fusionan, el agujero negro que crean emitirá ondas gravitacionales en una sola dirección preferida, como un cohete, creando un nuevo agujero negro que puede dispararse tan rápido como 5.000 kilómetros por segundo, así que, increíblemente rápido Solo se necesita una patada de unas pocas decenas a cien kilómetros por segundo para escapar de uno de estos grupos ”.
Esto planteó otro hecho interesante sobre simulaciones anteriores, donde los astrónomos creían que el producto de cualquier fusión de agujeros negros sería expulsado del grupo, ya que se supone que la mayoría de los agujeros negros giran rápidamente. Sin embargo, las mediciones de ondas de gravedad obtenidas recientemente de LIGO parecen contradecir esto, que solo ha detectado la fusión de agujeros negros binarios con giros bajos.
Sin embargo, esta suposición parece contradecir las mediciones de LIGO, que hasta ahora solo ha detectado agujeros negros binarios con giros bajos. Para probar las implicaciones de esto, Rodríguez y sus colegas redujeron las velocidades de giro de los agujeros negros en sus simulaciones. Lo que encontraron fue que casi el 20% de los agujeros negros binarios de los grupos tenían al menos un agujero negro que oscilaba entre 50 y 130 masas solares.
Esencialmente, esto indicaba que se trataba de agujeros negros de "segunda generación", ya que los científicos creen que esta masa no puede lograrse mediante un agujero negro que se formó a partir de una sola estrella. Mirando hacia el futuro, Rodríguez y su equipo anticipan que si LIGO detecta un objeto con una masa dentro de este rango, es probable que sea el resultado de la fusión de agujeros negros dentro del cúmulo estelar denso, en lugar de una sola estrella.
"Si esperamos lo suficiente, eventualmente LIGO verá algo que solo podría haber venido de estos cúmulos estelares, porque sería más grande que cualquier cosa que puedas obtener de una sola estrella", dice Rodríguez. “Mis coautores y yo apostamos contra un par de personas que estudian la formación de estrellas binarias que, dentro de las primeras 100 detecciones de LIGO, LIGO detectará algo dentro de esta brecha de masa superior. Me da una buena botella de vino si eso es cierto.
La detección de ondas gravitacionales fue un logro histórico y ha permitido a los astrónomos realizar investigaciones nuevas y emocionantes. Los científicos ya están obteniendo una nueva visión de los agujeros negros al estudiar el subproducto de sus fusiones. En los próximos años, podemos esperar aprender mucho más gracias a la mejora de los métodos y una mayor cooperación entre los observatorios.
