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

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 su contraparte italiana, 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 hoy en la revista Cartas de revisión física, muestra que esta fusión desigual puede haberse originado a través de un proceso muy diferente en comparación con la mayoría de las fusiones, o binarios, se cree que se forman.

Es probable que el más masivo de los dos agujeros negros sea en sí mismo producto de una fusión previa entre dos agujeros negros padres. El Goliat que surgió de esa primera colisión pudo haber rebotado alrededor de un "cúmulo nuclear" densamente poblado antes de fusionarse con el segundo, agujero negro más pequeño:un evento estridente que envió ondas gravitacionales a través del espacio.

GW190412 puede ser una segunda generación, o fusión "jerárquica", destacándose 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, nos veremos otra vez, 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. El primero se conoce como proceso de envolvente común, donde dos estrellas vecinas, después de miles de millones de años, explotar para formar dos agujeros negros vecinos que 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. Imagina, en lugar de un entorno monógamo, un rave galáctico, donde miles de agujeros negros se apiñan en un pequeño, región densa del universo. Cuando dos agujeros negros comienzan a asociarse, un tercero puede destrozar a la pareja en una interacción dinámica que puede repetirse muchas veces, antes de que un 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, a diferencia de la proporción de masa asimétrica de GW190412. También deberían tener relativamente ningún giro, mientras que GW190412 tiene un giro sorprendentemente alto.

"La conclusión es, ambos escenarios, que la gente tradicionalmente piensa que son viveros ideales para los binarios de agujeros negros en el universo, luchar para explicar la proporción de masa y el giro de este evento, "Dice Vitale.

Rastreador de agujeros negros

En su nuevo periódico, los investigadores utilizaron dos modelos para mostrar que es muy poco probable que GW190412 provenga de un proceso de 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 colapsar en agujeros negros que eventualmente se fusionan. El segundo modelo simula aleatoriamente, encuentros dinámicos en cúmulos globulares:densas concentraciones de estrellas alrededor de la mayoría de las galaxias.

El equipo ejecutó ambas simulaciones varias veces, afinando 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, 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, GW190412 fue detectado por LIGO y Virgo después de solo otras 50 detecciones, sugiriendo que probablemente surgió a través de algún otro proceso.

"No importa lo que hacemos, 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, en sí mismo sería más masivo que cualquiera de los padres, y luego eclipsar 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 caótica fusión, haría girar el agujero negro resultante, que luego llevaría este giro a su propia colisión final.

"Tu haces las matemáticas, 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 mediante la 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, pero lo pateó a cierta distancia.

"Si se patea con demasiada fuerza, simplemente dejaría el cúmulo y entraría en el medio interestelar vacío, y no poder volver a fusionar, "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. Para tener 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 surgiera GW190412 tenía 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, lleno 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 utilizar estos descubrimientos para aprender cosas nuevas sobre el universo ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.