Cuando los detectores gemelos de LIGO detectaron por primera vez ligeros bamboleos en sus respectivos, espejos idénticos, la señal no solo proporcionó la primera detección directa de ondas gravitacionales, sino que también confirmó la existencia de agujeros negros binarios estelares, que dio lugar a la señal en primer lugar.

Los agujeros negros binarios estelares se forman cuando dos agujeros negros, creado a partir de los restos de estrellas masivas, comienzan a orbitarse entre sí. Finalmente, los agujeros negros se funden en una colisión espectacular que, según la teoría de la relatividad general de Einstein, debería liberar una gran cantidad de energía en forma de ondas gravitacionales.

Ahora, un equipo internacional dirigido por el astrofísico del MIT Carl Rodríguez sugiere que los agujeros negros pueden asociarse y fusionarse varias veces, produciendo agujeros negros más masivos que los que se forman a partir de estrellas individuales. Estas "fusiones de segunda generación" deberían provenir de cúmulos globulares:pequeñas regiones del espacio, generalmente en los bordes de una galaxia, que están llenos de cientos de miles a millones de estrellas.

"Creemos que estos cúmulos se formaron con cientos o miles de agujeros negros que rápidamente se hundieron en el centro, "dice Carl Rodríguez, becario Pappalardo en el Departamento de Física del MIT y en el Instituto Kavli de Astrofísica e Investigación Espacial. "Este tipo de cúmulos son esencialmente fábricas de binarios de agujeros negros, donde hay 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 ".

Si LIGO detecta un binario con un componente de agujero negro cuya masa es mayor que alrededor de 50 masas solares, luego, según los resultados del grupo, hay una buena posibilidad de que el objeto no haya surgido de estrellas individuales, pero de un denso cúmulo estelar.

"Si esperamos lo suficiente, luego, eventualmente, LIGO verá algo que solo podría haber venido de estos cúmulos de estrellas, porque sería más grande que cualquier cosa que pudieras obtener de una sola estrella, "Dice Rodríguez.

Él y sus colegas informan de sus resultados en un artículo que aparece en Cartas de revisión física .

Estrellas corrientes

Durante los últimos años, Rodríguez ha investigado el comportamiento de los agujeros negros dentro de los cúmulos globulares y si sus interacciones difieren de los agujeros negros que ocupan regiones menos pobladas en el espacio.

Los cúmulos globulares se pueden encontrar en la mayoría de las galaxias, y su número escala con el tamaño de una galaxia. Enorme, galaxias elípticas, por ejemplo, albergan decenas de miles de estos conglomerados estelares, mientras que nuestra propia Vía Láctea contiene alrededor de 200, con el grupo más cercano que reside alrededor de 7, 000 años luz de la Tierra.

En su nuevo periódico, Rodríguez y sus colegas informan que utilizan una supercomputadora llamada Quest, en la Universidad Northwestern, para simular el complejo, interacciones dinámicas dentro de 24 cúmulos estelares, que varían en tamaño desde 200, 000 a 2 millones de estrellas, y cubriendo una gama de diferentes densidades y composiciones metálicas. Las simulaciones modelan la evolución de estrellas individuales dentro de estos cúmulos durante 12 mil millones de años, siguiendo sus interacciones con otras estrellas y, por último, la formación y evolución de los agujeros negros. Las simulaciones también modelan las trayectorias de los agujeros negros una vez que se forman.

"Lo bueno es, porque los agujeros negros son los objetos más masivos de estos grupos, se hunden hasta el centro, donde se obtiene una densidad suficientemente alta de agujeros negros para formar binarios, "Dice Rodríguez." Los agujeros negros binarios son básicamente como objetivos gigantes que cuelgan en el cúmulo, y mientras les arrojas otros agujeros negros o estrellas, sufren estos locos y caóticos encuentros ".

Todo es relativo

Al ejecutar sus simulaciones, los investigadores agregaron un ingrediente clave que faltaba en esfuerzos anteriores para simular cúmulos globulares.

"Lo que la gente había hecho en el pasado era tratar esto como un problema puramente newtoniano, "Dice Rodríguez." 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 zumbando uno al lado del otro muy de cerca, lo que normalmente no ocurre en la mayoría de las galaxias ".

La teoría de la relatividad de Newton asume que, si los agujeros negros estuvieran libres para empezar, ninguno afectaría al otro, y simplemente se pasaban el uno al otro, sin alterar. Esta línea de razonamiento se deriva del hecho de que Newton no reconoció la existencia de ondas gravitacionales, que Einstein predijo mucho más tarde que surgirían de objetos en órbita masiva. como dos agujeros negros muy próximos.

"En la teoría de la relatividad general de Einstein, donde puedo emitir ondas gravitacionales, luego, cuando un agujero negro pasa cerca de otro, en realidad, puede emitir un pequeño pulso de ondas gravitacionales, "Rodríguez explica." Esto puede restar suficiente energía del sistema para que los dos agujeros negros realmente se unan, y luego se fusionarán rápidamente ".

El equipo decidió agregar los efectos relativistas de Einstein en sus simulaciones de cúmulos globulares. Después de ejecutar las simulaciones, observaron que los agujeros negros se fusionaban entre sí para crear nuevos agujeros negros, dentro de los propios cúmulos estelares. Sin efectos relativistas, La gravedad newtoniana predice que la mayoría de los agujeros negros binarios serían expulsados ​​del cúmulo por otros agujeros negros antes de que pudieran fusionarse. Pero teniendo en cuenta los efectos relativistas, Rodríguez y sus colegas encontraron que casi la mitad de los agujeros negros binarios se fusionaron dentro de sus cúmulos estelares, creando una nueva generación de agujeros negros más masivos que los formados a partir de las estrellas. Lo que les suceda a esos nuevos agujeros negros dentro del cúmulo es una cuestión de giro.

"Si los dos agujeros negros giran cuando se fusionan, el agujero negro que crean emitirá ondas gravitacionales en una única dirección preferida, como un cohete creando un nuevo agujero negro que puede dispararse tan rápido como 5, 000 kilómetros por segundo, entonces, increíblemente rápido ", Dice Rodríguez." Solo se necesita una patada de unas pocas decenas a cien kilómetros por segundo para escapar de uno de estos grupos ".

Debido a este efecto, Los científicos han pensado en gran medida que el producto de cualquier fusión de agujeros negros sería expulsado del cúmulo, ya que se asumió que la mayoría de los agujeros negros están girando rápidamente.

Esta suposición, sin embargo, parece contradecir las medidas de LIGO, que hasta ahora solo ha detectado agujeros negros binarios con espines bajos. Para probar las implicaciones de esto, Rodríguez marcó los giros de los agujeros negros en sus simulaciones y descubrió que en este escenario, casi el 20 por ciento de los agujeros negros binarios de los cúmulos tenían al menos un agujero negro que se formó en una fusión anterior. Debido a que se formaron a partir de otros agujeros negros, algunos de estos agujeros negros de segunda generación pueden estar en el rango de 50 a 130 masas solares. Los científicos creen que los agujeros negros de esta masa no pueden formarse a partir de una sola estrella.

Rodríguez dice que si los telescopios de ondas gravitacionales como LIGO detectan un objeto con una masa dentro de este rango, hay una buena posibilidad de que no provenga de una sola estrella que colapsa, pero de un denso cúmulo estelar.

"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 este espacio de masa superior, ", Dice Rodríguez." Tengo una buena botella de vino si eso es cierto ".