El concepto de este artista representa un agujero negro supermasivo en el centro de una galaxia. El color azul aquí representa la radiación que sale del material muy cerca del agujero negro. La estructura grisácea que rodea el agujero negro, llamado toro, se compone de gas y polvo. Crédito:NASA / JPL-Caltech
Los astrofísicos de la Universidad de Birmingham han avanzado en la comprensión de un misterio clave de la astrofísica de ondas gravitacionales:cómo dos agujeros negros pueden unirse y fusionarse.
Durante sus primeros cuatro meses de tomar datos, Advanced LIGO (Observatorio de ondas gravitacionales con interferómetro láser) detectó ondas gravitacionales de dos fusiones de pares de agujeros negros, GW150914 y GW151226, junto con LVT151012, el candidato de fusión de agujero negro estadísticamente menos significativo.
La primera detección confirmada de ondas gravitacionales ocurrió el 14 de septiembre de 2015 a las 5.51 am hora del este por ambos detectores gemelos LIGO. ubicado en Livingston, Luisiana, y Hanford, Washington, ESTADOS UNIDOS. Confirmó una predicción importante de la teoría general de la relatividad de Albert Einstein de 1915 y abrió una nueva ventana sin precedentes al cosmos. Sin embargo, todavía no sabemos cómo se forman esos pares de agujeros negros fusionados.
Un nuevo papel publicado en Comunicaciones de la naturaleza , describe los resultados de una investigación sobre la formación de fuentes de ondas gravitacionales con un conjunto de herramientas recientemente desarrollado llamado COMPAS (Compact Object Mergers:Population Astrophysics and Statistics).
Para que los agujeros negros se fusionen dentro de la edad del Universo emitiendo ondas gravitacionales, deben comenzar muy juntos según los estándares astronómicos, no más de una quinta parte de la distancia entre la Tierra y el Sol. Sin embargo, estrellas masivas, que son los progenitores de los agujeros negros que ha observado LIGO, expandirse para ser mucho más grande que esto en el curso de su evolución. El desafío clave, luego, es cómo encajar estrellas tan grandes en una órbita muy pequeña. Se han propuesto varios escenarios posibles para abordar esto.
Los astrofísicos de Birmingham, acompañado por la profesora colaboradora Selma de Mink de la Universidad de Amsterdam, han demostrado que los tres eventos observados se pueden formar a través del mismo canal de formación:evolución binaria aislada a través de una fase de envolvente común. En este canal, dos estrellas progenitoras masivas comienzan con separaciones bastante amplias. Las estrellas interactúan a medida que se expanden, participar en varios episodios de transferencia masiva. El último de ellos suele ser un sobre común, un muy rápido, Transferencia de masa dinámicamente inestable que envuelve ambos núcleos estelares en una densa nube de gas hidrógeno. Expulsar este gas del sistema quita energía de la órbita. Esto acerca a las dos estrellas lo suficientemente juntas como para que la emisión de ondas gravitacionales sea eficiente, justo en el momento en que son lo suficientemente pequeños como para que esa cercanía ya no los ponga en contacto. Todo el proceso tarda unos millones de años en formar dos agujeros negros, con un posible retraso posterior de miles de millones de años antes de que los agujeros negros se fusionen y formen un solo agujero negro.
Las simulaciones también han ayudado al equipo a comprender las propiedades típicas de las estrellas que pueden llegar a formar pares de agujeros negros fusionados y los entornos en los que esto puede suceder. Por ejemplo, El equipo concluyó que una fusión de dos agujeros negros con masas significativamente desiguales sería una fuerte indicación de que las estrellas se formaron casi en su totalidad a partir de hidrógeno y helio. con otros elementos que contribuyen con menos del 0,1% de la materia estelar (a modo de comparación, esta fracción es aproximadamente el 2% en el Sol).
Primer autor Simon Stevenson, estudiante de doctorado en la Universidad de Birmingham, explicó:"La belleza de COMPAS es que nos permite combinar todas nuestras observaciones y comenzar a armar el rompecabezas de cómo se fusionan estos agujeros negros, enviando estas ondas en el espacio-tiempo que pudimos observar en LIGO ".
El autor principal, el profesor Ilya Mandel, añadió:"Este trabajo permite realizar una especie de 'paleontología' para las ondas gravitacionales. Un paleontólogo, que nunca ha visto un dinosaurio vivo, puede averiguar cómo se veía y vivía el dinosaurio a partir de sus restos esqueléticos. En una forma similar, podemos analizar las fusiones de agujeros negros, y utilice estas observaciones para averiguar cómo interactuaron esas estrellas durante sus breves pero intensas vidas ".
