Investigadores del Instituto Max Planck de Física Gravitacional, El Instituto de Tecnología de Rochester y el Instituto Perimetral de Física Teórica han reunido recientemente una fuerte evidencia numérica de un nuevo fenómeno que tiene lugar en el interior de los agujeros negros binarios. En su estudio, publicado en Cartas de revisión física , recopilaron observaciones que podrían ofrecer una nueva y emocionante comprensión de la fusión de superficies atrapadas marginalmente externas (MOTS) en un agujero negro binario (BBH), un sistema que consta de dos agujeros negros en órbita cercana uno alrededor del otro.

"Es un hecho subestimado que los horizontes de eventos no son realmente muy útiles para estudiar las propiedades astrofísicas de las fusiones de agujeros negros, ", dijeron los investigadores a Phys.org por correo electrónico." Lo que es mucho más útil son las superficies que tienen el aburrido nombre de superficies atrapadas marginalmente externas (superficies marginales o MOTS en resumen). Este nombre poco interesante oculta su importancia para comprender los agujeros negros ".

Durante los últimos 15 a 20 años, dos de los autores del artículo reciente, Badri Krishnan y Erik Schnetter, han desarrollado formas de utilizar superficies marginales para calcular, entre otras cosas, masa del agujero negro y momento angular. A pesar de sus logros en esta área, no pudieron responder una pregunta clave:¿los MOTS se fusionan en una coalescencia BBH? y de ser así, cómo, ¿exactamente?

Los investigadores estaban ansiosos por saber más sobre esta fusión, así como para desvelar cualquier característica topológica interesante que pueda estar escondida en él. Daniel Pook-Kolb, otro autor del artículo y un Ph.D. estudiante del Instituto Max Planck, por ello decidió investigar más a fondo este tema en su tesis.

"Para entender la fusión, necesitamos localizar superficies marginales muy distorsionadas, una tarea numéricamente desafiante que derrotó a todos los estudios anteriores, ", dijeron los investigadores." Desarrollamos una nueva técnica numérica para esta tarea y nos acercamos cada vez más al punto de fusión. Todavía, incluso nuestros métodos no funcionan muy cerca de la fusión, donde aparecen superficies con cúspides ".

Como los investigadores no pudieron obtener la información que buscaban en sus estudios anteriores, continuaron buscando diferentes rutas para investigar la fusión de MOTS en un sistema BBH. Finalmente, A Schnetter se le ocurrió una nueva idea para abordar este tema, lo que implicó buscar superficies con bucles que se cruzan.

Cuando propuso esto al resto del equipo, Krishnan era algo escéptico, como ninguna literatura anterior había explorado esta idea antes, pero Pook-Kolb decidió investigarlo independientemente y buscar tales superficies. Eventualmente resultó que tales características topológicas existen, y que pudieran, De hecho, ser características genéricas de las fusiones de agujeros negros.

Esencialmente, los investigadores simularon la colisión frontal de dos agujeros negros no giratorios con masas desiguales. En estas simulaciones, observaron que el MOTS asociado con el agujero negro final resultante de una fusión BBH se une con las dos superficies inicialmente disjuntas que corresponden a los dos agujeros negros iniciales en el sistema.

Esto da como resultado una secuencia conectada de MOTS que se interpolan entre el estado inicial y final del BBH, hasta que finalmente se lleve a cabo la fusión entre los dos agujeros negros. Por último, sus hallazgos destacan un cambio de topología en la fusión de superficies marginales.

Las observaciones recopiladas en sus simulaciones también apuntan a la existencia de un MOTS con auto-intersecciones que se forma inmediatamente después de la fusión. Los investigadores, sin embargo, Esperamos que otro de sus hallazgos tenga implicaciones mucho mayores para futuras observaciones de ondas gravitacionales.

"Dado que ahora tenemos una secuencia de superficies marginales que nos lleva desde los dos agujeros negros inicialmente disjuntos hasta el último, podemos calcular en detalle cómo se comportan las cantidades físicas de agujeros negros durante la fusión, ", dijeron los investigadores." Sería especialmente interesante encontrar características similares en las señales de ondas gravitacionales observadas:entonces podemos afirmar legítimamente que comprendemos observacionalmente lo que sucede dentro de un horizonte de eventos de un agujero negro ".

La evidencia numérica recopilada por Pook-Kolb, Schnetter, Krishnan y su colega Ofek Birnholtz ofrecen nuevas ideas fascinantes sobre las fusiones de BBH. En el futuro, sus observaciones podrían allanar el camino para nuevos estudios, incluyendo intentos de probar matemáticamente la desigualdad de Penrose para configuraciones genéricas de BBH astrofísicas.

Los investigadores ahora planean intentar generalizar su idea a otras fusiones de agujeros negros, como los observados por la colaboración LIGO. Esto podría hacer que la teoría que se les ocurrió podría ser utilizada por una comunidad de investigación mucho más grande.

"Se está trabajando para generalizar nuestra idea a las fusiones genéricas, y ahora están apareciendo los primeros resultados basados ​​en la misma teoría, ", dijeron los investigadores." ¡Estamos muy emocionados de ver lo que nos espera en simulaciones de fusiones realistas totalmente generales! "

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